Cả các chuyến bay vũ trụ và các thí nghiệm mô phỏng vi trọng lực trên mặt đất đều cho thấy sự thay đổi đáng kể về cấu trúc và chức năng của tim chuột. Tuy nhiên, cơ chế tế bào và phân tử đằng sau nó rất khó phân tích ở cấp độ động vật tổng thể. Công nghệ nuôi cấy tế bào ba chiều vi trọng lực, bằng cách mô phỏng môi trường không trọng lượng để nghiên cứu trong ống nghiệm các loại tế bào có nguồn gốc từ tim của chuột, đã tiết lộ thành công các quá trình bệnh lý cốt lõi như tế bào cơ tim, kích hoạt nguyên bào sợi, rối loạn chức năng tế bào nội mô, cung cấp cơ sở thực nghiệm để hiểu suy tim không gian và phát triển các biện pháp bảo vệ.

Phát hiện từ các thí nghiệm trên động vật: Ảnh hưởng vĩ mô của vi trọng lực lên tim chuột

Sau khi bay vào không gian hoặc mô phỏng vi trọng lực trên mặt đất, chẳng hạn như giảm tải chi sau, tim chuột thường biểu hiện:

1. Giảm chất lượng tim với WS：Đặc biệt, chất lượng tâm thất trái chịu trách nhiệm bơm máu giảm.

2. Thay đổi chức năng: giảm chức năng co và hiệu quả bơm máu.

3. Tái tạo hình thái: thay đổi sắp xếp sợi cơ tim, tăng tiền gửi collagen kẽ, gợi ý nguy cơ xơ hóa.

Ký hợp đồng cung cấp Phần mềm tính toán định lượng rủi ro ngoài khơi – Safeti Offshore cho Trung tâm nghiên cứu và phát triển An toàn và Môi trường Dầu khí (CPSE) (

Bằng cách cô lập các thành phần tế bào khác nhau của tim chuột và tiến hành nghiên cứu trong các hệ thống nuôi cấy vi trọng lực như RWV, maglev, các nhà khoa học đã có những phát hiện đột phá:

1. Ảnh hưởng đến tế bào cơ tim

· Kiểu hình: Đảo ngược từ kiểu co lại sang kiểu thai nhi.

Bằng chứng thực nghiệm: Các tế bào cơ tim của chuột được nuôi cấy trong các lò phản ứng sinh học quay có sự biểu hiện giảm của các protein co thắt như chuỗi nặng alpha-myosin, trong khi các protein biểu hiện trong giai đoạn bào thai như chuỗi nặng beta-myosin được điều chỉnh. Điều này rất phù hợp với hiệu suất giảm chức năng tim ở chuột nói chung sau khi không trọng lượng.

Khám phá cơ chế: Nghiên cứu đã tìm thấy sự thay đổi trong phổ biểu hiện của microRNA (như miR-1 và miR-133), điều chỉnh sự phì đại của các tế bào cơ tim vàWSCông tắc then chốt.

Kiểu hình: Tăng cường hoạt động autophagy và apoptosis của tế bào.

Bằng chứng thực nghiệm: tăng biểu hiện của dấu hiệu autophagy LC3-II và giảm tỷ lệ sống sót của tế bào trong các quả cầu cơ tim nuôi cấy 3D. Điều này cho thấy trong môi trường vi trọng lực, sự cân bằng giữa việc tự làm mới và loại bỏ các bào quan bị hư hỏng của các tế bào cơ tim đã bị phá vỡ, thúc đẩyTiến trình WS.

2. Ảnh hưởng đến nguyên bào sợi của tim

· Kiểu hình: kích hoạt và profibrosis.

Bằng chứng thực nghiệm: Đây là một trong những phát hiện quan trọng nhất trong nuôi cấy tế bào vi trọng lực. Trong vi trọng lực mô phỏng, các nguyên bào sợi tim của chuột được kích hoạt bất thường, chuyển thành các nguyên bào sợi cơ (biểu hiện actin cơ trơn alpha, α-SMA）。

Khám phá cơ chế: Các nguyên bào sợi được kích hoạt tổng hợp với số lượng lớn và tiết ra collagen (loại I và III), dẫn đến sự lắng đọng quá mức của ma trận ngoại bào. Con đường tín hiệu TGF-Beta 1/Smad đã được xác nhận là "công tắc chính" cho quá trình này. Điều này giải thích trực tiếp xu hướng xơ hóa kẽ tim được quan sát thấy trong các thí nghiệm trên động vật tổng thể.

3 Ảnh hưởng đến các tế bào nội mô của tim

· Kiểu hình: suy giảm chức năng tạo mạch so với rối loạn chức năng rào cản.

Bằng chứng thực nghiệm: Các tế bào nội mô vi mạch của tim ở chuột được nuôi cấy vi trọng lực có khả năng hình thành ống giảm đáng kể và tốc độ di chuyển và tăng sinh tế bào chậm lại.

Khám phá cơ chế: biểu hiện thụ thể và tín hiệu của các yếu tố liên quan đến tạo mạch như VEGF bị chặn. Đồng thời, rối loạn phân phối và chức năng của các protein kết nối tế bào, chẳng hạn như VE-Canxi Muccin, có thể dẫn đến thay đổi tính thấm của mạch máu, ảnh hưởng đến việc cung cấp dinh dưỡng và oxy cho cơ tim.

4. Ảnh hưởng đến tế bào gốc/tế bào tiền thân của tim

· Kiểu hình: Tiềm năng tăng sinh và phân hóa bị suy giảm.

Bằng chứng thực nghiệm: Mô phỏng vi trọng lực ức chế khả năng tự làm mới và biệt hóa tế bào cơ tim của các tế bào tiền thân tim ở chuột.

Tác động: Điều này có nghĩa là tiềm năng sửa chữa và tái tạo vốn có của tim bị suy yếu trong môi trường vi trọng lực, có thể làm trầm trọng thêm sự mất chức năng do apoptosis và lão hóa.

III. Lợi thế thí nghiệm của nuôi cấy tế bào vi trọng lực

1. Độ chính xác của nghiên cứu cơ chế: phản ứng của một loại tế bào nhất định (như nguyên bào sợi tinh khiết) đối với vi trọng lực có thể được nghiên cứu riêng lẻ, loại trừ sự can thiệp của các yếu tố như thần kinh, dịch cơ thể trong môi trường cơ thể.

2. Giải quyết các con đường tín hiệu: Dễ dàng sử dụng các chất ức chế, chất chủ vận hoặc kỹ thuật chỉnh sửa gen để xác minh trực tiếp vai trò của các con đường tín hiệu cụ thể (ví dụ: TGF-beta, Hippo) trong phản ứng vi trọng lực.

3. Nền tảng sàng lọc thuốc: Dựa trên những phát hiện trên, các loại thuốc bảo vệ có thể được sàng lọc trên mô hình "giống tim" nuôi cấy 3D. Ví dụ, kiểm tra xem các chất ức chế TGF-beta có thể ngăn chặn sự kích hoạt của nguyên bào sợi hoặc kiểm tra xem các chất chống oxy hóa có thể bảo vệ các tế bào cơ tim hay không.

Thách thức và định hướng tương lai

· Thách thức:

Độ phức tạp của mô hình: Các loại tế bào đơn hiện tại hoặc các mô hình đồng nuôi cấy đơn giản vẫn không thể mô phỏng mạng lưới tế bào phức tạp và ghép nối điện-cơ của tim.

Chu kỳ nuôi cấy: Các mô phỏng in vitro có chu kỳ tương đối ngắn và khó tương ứng với phơi nhiễm không gian lâu dài.

· Định hướng tương lai:

Xây dựng các mô hình organoid phức tạp hơn: các tế bào cơ tim, nguyên bào sợi, tế bào nội mô được nuôi cấy cùng nhau theo tỷ lệ để tạo thành một "trái tim thu nhỏ" với chức năng nhịp tim để nghiên cứu sự tương tác giữa các tế bào.

Kết hợp với kích thích lực cơ học: Các lực cơ học mô phỏng nhịp tim sau khi nuôi cấy vi trọng lực được áp dụng để nghiên cứu quá trình phục hồi "tải nặng", đưa ra chiến lược phục hồi chức năng tim sau khi các phi hành gia trở về Trái đất.

Liên kết với các thí nghiệm trong không gian: Kết quả nuôi cấy tế bào trên mặt đất được xác nhận tương xứng với các thí nghiệm trên quỹ đạo trên Trạm vũ trụ quốc tế.

kết luận

Kỹ thuật nuôi cấy tế bào vi trọng lực, giống như một kính hiển vi cao cấp, khuếch đại tác động cụ thể của vi trọng lực đối với các thành phần tế bào khác nhau của tim chuột. Nó cho thấy rõ ràng rằng suy tim không gian không phải là sự suy giảm chức năng của một tế bào duy nhất, mà là kết quả của sự rối loạn phối hợp của nhiều tế bào như tế bào cơ tim, nguyên bào sợi, tế bào nội mô. Những hiểu biết sâu sắc từ cấp độ tế bào này không chỉ cung cấp các mục tiêu mới để bảo vệ sức khỏe tim mạch của các phi hành gia, mà còn làm phong phú thêm sự hiểu biết của chúng ta về các cơ chế bệnh lý của các bệnh như suy tim và xơ hóa trên Trái đất.