Как космические полеты, так и наземные эксперименты по моделированию микрогравитации показали, что сердце мышей претерпевает значительные структурные и функциональные изменения. Тем не менее, клеточные и молекулярные механизмы, лежащие в его основе, трудно проанализировать на общем уровне животных. Технология микрогравитационной трехмерной клеточной культуры, имитируя невесомость среды для проведения внетелесных исследований различных типов клеток сердечного происхождения мышей, успешно выявила основные патологические процессы, такие как клетки сердечной мышцы, активация фибробластов, эндотелиальная дисфункция клеток, обеспечивает экспериментальную основу для понимания космической кардиофункции и разработки защитных мер.

Открытие комплексных экспериментов на животных: макровлияние микрогравитации на сердце мышей

После космического полета или наземного моделирования микрогравитации (например, разгрузки задних конечностей) сердце мыши обычно демонстрирует:

Снижение качества сердца и WSА.В частности, снижается качество левого желудочка, отвечающего за перекачку крови.

2.Функциональные изменения: сокращение функции и снижение эффективности насоса крови.

3. Морфологическое ремоделирование: изменение расположения волокон миокарда, увеличение отложений интерстициального коллагена, что указывает на риск фиброза.

Экспериментальная стратегия выращивания микрогравитационных клеток и основные открытия

Выделяя различные клеточные компоненты сердца мышей и проводя исследования в системах микрогравитации, таких как RWV, магнитная левитация, ученые сделали прорывные открытия:

1. Воздействие на клетки сердечной мышцы

• Феномен: переход от усадочного к эмбриональному типу.

• Экспериментальные доказательства: клетки сердечной мышцы мышей, культивируемые в вращающихся биореакторах, имеют пониженную экспрессию белков - усадок (например, тяжелой цепи альфа - миоглобина), в то время как экспрессия белков, экспрессируемых в эмбриональном периоде (например, тяжелой цепи бета - миоглобина), повышается. Это в значительной степени согласуется с общей производительностью мышей с пониженной сердечной функцией после невесомости.

• Исследование механизмов: исследование показало, что спектр экспрессии микроРНК (например, miR - 1 и miR - 133) изменяется, и эти микроРНК регулируют гипертрофию клеток сердечной мышцы иWSКлючевые переключатели.

• Феномен: усиление аутофагической и апоптотической активности клеток.

• Экспериментальные доказательства: в 3D - культивируемых кардиомиокардоидах экспрессия маркера аутофагии LC3 - II увеличивается, а выживаемость клеток снижается. Это говорит о том, что в условиях микрогравитации нарушается баланс самовосстановления клеток сердечной мышцы и удаления поврежденных клеток, что способствуетПроцесс WS.

2. Воздействие на фибробласты сердца

· Феномен: Активация и фиброз.

Экспериментальные доказательства: это одно из самых важных открытий в культуре микрогравитационных клеток. В симулированной микрогравитации фибробласты сердца мышей были необычайно активированы и преобразованы в фибробласты мышц (экспрессирующие альфа - гладкий миозин, α-SMA）。

• Исследование механизмов: активированные фибробласты синтезируют и выделяют коллаген (тип I и тип III) в больших количествах, что приводит к чрезмерному осаждению внеклеточной матрицы. Сигнальный канал TGF - β 1 / Smad оказался « главным переключателем» этого процесса. Это напрямую объясняет тенденцию к интеркардиофиброзу, наблюдаемую в общих экспериментах на животных.

3. Воздействие на эндотелиальные клетки сердца

• Феномен: нарушение функции ангиогенеза и барьерная дисфункция.

• Экспериментальные доказательства: микрогравитация культивировала микрососудистые эндотелиальные клетки сердца мышей, которые значительно снижали свою способность к образованию труб и замедляли миграцию и размножение клеток.

• Исследование механизмов: экспрессия рецепторов и передача сигналов из факторов, связанных с ангиогенезом (например, VEGF), блокируются. В то же время, нарушение распределения и функционирования клеточных связывающих белков, таких как VE - кальциевый слизистый белок, может привести к изменениям проницаемости кровеносных сосудов, влияющим на питание сердечной мышцы и снабжение кислородом.

4. Воздействие на стволовые клетки сердца / клетки - предшественники

• фенотип: нарушение потенциала размножения и дифференциации.

• Экспериментальные доказательства: имитация микрогравитации подавляет способность клеток - предшественников сердца мышей к самовосстановлению и дифференциации в клетки сердечной мышцы.

Воздействие: Это означает, что в условиях микрогравитации внутренний восстановительный и регенеративный потенциал сердца ослаблен, что может усугубить потерю функции из - за клеточного опадения и старения.

Экспериментальные преимущества микрогравитационной культуры клеток

Точность исследования механизмов: реакция определенного типа клеток (например, очищенных фибробластов) на микрогравитацию может быть изучена отдельно, исключая вмешательство таких факторов, как нервы, жидкости организма и т.д. в соматической среде.

Анализ сигнальных путей: Легко использовать ингибиторы, агонисты или методы редактирования генов для непосредственной проверки роли определенных сигнальных путей (например, TGF - β, Hippo) в микрогравитационном ответе.

3.Платформа для скрининга лекарств: Основываясь на вышеуказанных выводах, защитные препараты могут быть отобраны на 3D - культивируемых моделях « сердечников». Например, проверьте, может ли ингибитор TGF - β остановить активацию фибробластов, или проверьте, может ли антиоксидант защитить клетки сердечной мышцы.

IV. Вызовы и будущие направления

· Вызовы:

• Сложность модели: современные типы одноклеточных клеток или простые модели общей культуры по - прежнему не могут имитировать сложные клеточные сети и электромеханические связи сердца.

• Цикл культивирования: Период моделирования in vitro относительно короткий, что затрудняет реагирование на долгосрочное воздействие в космосе.

· Будущие направления:

· Построение более сложных органоидных моделей: культивирование клеток миокарда, фибробластов и эндотелиальных клеток пропорционально, чтобы сформировать « микросердце» с пульсирующей функцией для изучения взаимодействия между клетками.

• Сочетание механической стимуляции: применение механической силы, имитирующей пульсацию сердца после культивирования микрогравитации, для изучения процесса восстановления « тяжелой нагрузки», обеспечивающей стратегию восстановления функции сердца после возвращения астронавтов на Землю.

• Взаимодействие с космическими экспериментами: сравнение результатов культивирования наземных клеток с орбитальными экспериментами на Международной космической станции.

заключение

Технология микрогравитационной культуры клеток, подобная высокоумному микроскопу, усиливает конкретное влияние микрогравитации на различные клеточные компоненты сердца мышей. Это ясно показывает, что космическая гиподинамия сердца - это не дегенерация функции одной клетки, а результат множества клеточных нарушений координации, таких как клетки миокарда, фибробласты и эндотелиальные клетки. Эти глубокие знания на клеточном уровне не только дают новые цели для защиты сердечно - сосудистого здоровья астронавтов, но и значительно обогащают наше понимание патологических механизмов таких заболеваний, как сердечная недостаточность, фиброз и т.д. на Земле.