Baixa gravidade em viagens espaciais enfraquece e interrompe o ritmo normal nas células do músculo cardíaco
Novas pesquisas de cientistas da Johns Hopkins Medicine descobrem que os tecidos cardíacos a bordo da estação espacial batem cerca de metade da força que na Terra
Cientistas da Johns Hopkins Medicine que providenciaram 48 amostras de tecido cardíaco humano bioengenheirado para passar 30 dias na Estação Espacial Internacional relatam evidências de que as condições de baixa gravidade no espaço enfraqueceram os tecidos e interromperam seus batimentos rítmicos normais quando comparados a amostras da mesma fonte coletadas na Terra.
Os cientistas disseram que os tecidos cardíacos “realmente não se saem bem no espaço” e, com o tempo, os tecidos a bordo da estação espacial bateram cerca de metade da força dos tecidos da mesma fonte mantidos na Terra.
As descobertas, dizem eles, expandem o conhecimento dos cientistas sobre os potenciais efeitos da baixa gravidade na sobrevivência e na saúde dos astronautas durante longas missões espaciais, e podem servir como modelos para estudar o envelhecimento do músculo cardíaco e a terapêutica na Terra.
Um relatório da análise dos tecidos pelos cientistas será publicado durante a semana de 23 de setembro no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Estudos anteriores mostraram que alguns astronautas retornam à Terra vindos do espaço sideral com condições relacionadas à idade, incluindo função reduzida do músculo cardíaco e arritmias (batimentos cardíacos irregulares), e que alguns efeitos, mas não todos, se dissipam com o tempo após o retorno.
Mas os cientistas têm buscado maneiras de estudar tais efeitos em um nível celular e molecular em uma tentativa de encontrar maneiras de manter os astronautas seguros durante voos espaciais longos, diz Deok-Ho Kim, professor de engenharia biomédica e medicina na Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins. Kim liderou o projeto para enviar tecido cardíaco para a estação espacial.
Para criar a carga cardíaca, o cientista Jonathan Tsui persuadiu células-tronco pluripotentes induzidas humanas (iPSCs) a se desenvolverem em células do músculo cardíaco (cardiomiócitos). Tsui, que era um candidato a doutorado no laboratório de Kim na Universidade de Washington, acompanhou Kim como bolsista de pós-doutorado quando Kim se mudou para a Universidade Johns Hopkins em 2019. Eles continuaram a pesquisa em biologia espacial na Johns Hopkins.
Tsui então colocou os tecidos em um chip de tecido miniaturizado e bioengenheirado que amarra os tecidos entre dois postes para coletar dados sobre como os tecidos batem (contraem). O alojamento 3D das células foi projetado para imitar o ambiente de um coração humano adulto em uma câmara com metade do tamanho de um telefone celular.
Para levar os tecidos a bordo da missão SpaceX CRS-20, que foi lançada em março de 2020 com destino à estação espacial, Tsui diz que teve que carregar as câmaras de tecido em um avião para a Flórida e continuar cuidando dos tecidos por um mês no Kennedy Space Center. Tsui agora é um cientista na Tenaya Therapeutics, uma empresa focada na prevenção e tratamento de doenças cardíacas.
Uma vez que os tecidos estavam na estação espacial, os cientistas receberam dados em tempo real por 10 segundos a cada 30 minutos sobre a força de contração das células, conhecida como forças de contração, e sobre quaisquer padrões irregulares de batimento. A astronauta Jessica Meir trocou os nutrientes líquidos ao redor dos tecidos uma vez por semana e preservou os tecidos em intervalos específicos para posterior leitura de genes e análises de imagem.
A equipe de pesquisa manteve um conjunto de tecidos cardíacos desenvolvidos da mesma maneira na Terra, alojados no mesmo tipo de câmara, para comparação com os tecidos no espaço.
Quando as câmaras de tecido retornaram à Terra, Tsui continuou a manter e coletar dados dos tecidos.
“Uma quantidade incrível de tecnologia de ponta nas áreas de células-tronco e engenharia de tecidos, biossensores e bioeletrônica, e microfabricação foi usada para garantir a viabilidade desses tecidos no espaço.”
Deok-Ho Kim “Uma quantidade incrível de tecnologia de ponta nas áreas de células-tronco e engenharia de tecidos, biossensores e bioeletrônica, e microfabricação foi usada para garantir a viabilidade desses tecidos no espaço”, diz Kim, cuja equipe desenvolveu o chip de tecido para este projeto e os subsequentes.
Devin Mair, ex-candidato a doutorado no laboratório de Kim e agora pesquisador de pós-doutorado na Johns Hopkins, analisou a capacidade de contração dos tecidos.
Além de perder força, os tecidos musculares cardíacos no espaço desenvolveram batimentos irregulares (arritmias) — interrupções que podem causar a falha do coração humano. Normalmente, o tempo entre um batimento do tecido cardíaco e o próximo é de cerca de um segundo. Essa medida, nos tecidos a bordo da estação espacial, cresceu para ser quase cinco vezes maior do que aqueles na Terra, embora o tempo entre os batimentos tenha retornado quase ao normal quando os tecidos retornaram à Terra.
Os cientistas também descobriram, nos tecidos que foram para o espaço, que os sarcômeros — os feixes de proteínas nas células musculares que as ajudam a se contrair — ficaram mais curtos e mais desordenados, uma característica da doença cardíaca humana.
Além disso, as mitocôndrias produtoras de energia nas células confinadas ao espaço ficaram maiores, mais arredondadas e perderam as dobras características que ajudam as células a usar e produzir energia.
Finalmente, Mair, Eun Hyun Ahn –um professor assistente de pesquisa de engenharia biomédica– e Zhipeng Dong, um aluno de pós-graduação da Johns Hopkins, estudaram a leitura genética nos tecidos alojados no espaço e na Terra. Os tecidos na estação espacial mostraram aumento na produção genética envolvida em inflamação e dano oxidativo, também características de doença cardíaca.
“Muitos desses marcadores de dano oxidativo e inflamação são consistentemente demonstrados em verificações pós-voo de astronautas”, diz Mair.
O laboratório de Kim enviou um segundo lote de tecidos cardíacos projetados em 3D para a estação espacial em 2023 para rastrear medicamentos que podem proteger as células dos efeitos da baixa gravidade. Este estudo está em andamento e, de acordo com os cientistas, esses mesmos medicamentos podem ajudar as pessoas a manter a função cardíaca à medida que envelhecem.
Os cientistas continuam a melhorar seu sistema “tecido em um chip” e estão estudando os efeitos da radiação em tecidos cardíacos no Laboratório de Radiação Espacial da NASA. A estação espacial está em órbita baixa da Terra, onde o campo magnético do planeta protege os ocupantes da maioria dos efeitos da radiação espacial.
Kim é cofundadora, membro do conselho consultivo científico e acionista da Curi Bio, que desenvolve plataformas de tecidos bioengenheirados para desenvolvimento de medicamentos. Ahn é esposa de Kim e atua como coinvestigadora ou investigadora principal das bolsas do NIH: UG3EB028094, UH3TR003519 e R21CA220111.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (UG3EB028094, UH3TR003519, UH3TR003271, R01HL164936, R01HL156947, R21CA220111).
Outros pesquisadores que contribuíram para o estudo são Jeffrey Chen, da Johns Hopkins, Ty Higashi, Alec Smith e Nathan Sniadecki, da Universidade de Washington, Paul Koenig e Stefanie Countryman, da Universidade do Colorado em Boulder, e Peter Lee, da Universidade Brown.
