Gli scienziati del Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute hanno dimostrato che i moscerini della frutta che hanno trascorso diverse settimane sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) - circa metà della loro vita - hanno subito profondi cambiamenti strutturali e biochimici nei loro cuori. Lo studio, pubblicato oggi in Rapporti di cella , suggerisce che gli astronauti che trascorrono un lungo periodo di tempo nello spazio, che sarebbe necessario per la formazione di una colonia lunare o per viaggiare verso il lontano Marte, potrebbero subire effetti simili e potrebbero beneficiare di misure protettive per mantenere i loro cuori sani. La ricerca ha anche rivelato nuove intuizioni che un giorno potrebbero aiutare le persone sulla Terra che sono a letto a lungo termine o che vivono con malattie cardiache.

"Per la prima volta, possiamo vedere i cambiamenti cellulari e molecolari che possono essere alla base delle condizioni cardiache osservate negli studi sugli astronauti, "dice Karen Ocorr, dottorato di ricerca, professore assistente in Sviluppo, Programma di invecchiamento e rigenerazione presso Sanford Burnham Prebys e co-autore senior dello studio. "Abbiamo avviato questo studio per comprendere gli effetti della microgravità sul cuore, e ora abbiamo una tabella di marcia che possiamo utilizzare per iniziare a sviluppare strategie per mantenere il cuore degli astronauti forte e sano".

Studi precedenti hanno dimostrato che in condizioni di microgravità, il cuore umano si sposta da un ovale a una forma più sferica. Il volo spaziale provoca anche l'indebolimento del muscolo cardiaco (atrofia), riducendo la sua capacità di pompare il sangue in tutto il corpo. Però, fino ad ora, gli studi sul cuore umano, completati utilizzando gli ultrasuoni eseguiti sulla ISS, sono stati limitati a un numero relativamente piccolo di astronauti. Mentre importante, questi studi non hanno rivelato i cambiamenti cellulari e molecolari che guidano queste trasformazioni, informazioni necessarie per sviluppare contromisure che manterranno gli astronauti al sicuro durante i voli prolungati.

"Mentre continuiamo il nostro lavoro per stabilire una colonia sulla luna e inviare i primi astronauti su Marte, comprendere gli effetti del tempo prolungato in microgravità sul corpo umano è imperativo, "dice Sharmila Bhattacharya, dottorato di ricerca, scienziato senior della NASA e autore di studi. "I risultati di oggi mostrano che la microgravità può avere effetti drammatici sul cuore, suggerendo che potrebbe essere necessario un intervento medico per viaggi spaziali di lunga durata, e indicano diverse direzioni per lo sviluppo terapeutico".

I moscerini della frutta sono modelli sorprendentemente validi per studiare il cuore umano. Gli insetti condividono quasi il 75% dei geni che causano malattie trovati negli esseri umani, e i loro cuori a forma di tubo rispecchiano una nostra prima versione, che inizia come un tubo quando siamo nell'utero e poi si ripiega nelle quattro camere con cui abbiamo familiarità. Fortunatamente, anche i moscerini della frutta sono in gran parte autosufficienti. Tutto il cibo necessario alle mosche per la durata del viaggio era contenuto in scatole speciali progettate per questo studio, consentendo agli astronauti impegnati di concentrarsi su altri compiti.

Viaggio nello spazio

Nello studio, gli scienziati hanno inviato le speciali "scatole per mosche ventilate" contenenti fiale piene di alcuni moscerini della frutta femmine e maschi alla ISS per un'orbita di un mese. Mentre nello spazio, queste mosche hanno prodotto centinaia di bambini che hanno sperimentato tre settimane di microgravità, l'equivalente umano di tre decenni. I moscerini della frutta nati nello spazio sono tornati sulla Terra tramite un ammaraggio al largo della costa della Baja California. Un membro del team scientifico ha recuperato le mosche dal porto di Long Beach e, con molta attenzione, ha portato gli esemplari al campus di Sanford Burnham Prebys a La Jolla, California.

Una volta che le mosche sono arrivate al laboratorio, gli scienziati sono entrati in azione. I test della funzione cardiaca dovevano essere effettuati entro 24 ore dal ritorno sulla Terra in modo che la gravità non interferisse con i risultati. I ricercatori hanno lavorato 24 ore su 24 per misurare le mosche'

capacità di arrampicarsi su una provetta; per catturare video dei cuori che battono per misurare la contrattilità e la frequenza cardiaca; e preservare i tessuti per futuri test genetici e biochimici, compresa la mappatura dei cambiamenti di espressione genica che si sono verificati nel cuore.

Ampio rimodellamento dei tessuti

Questo lavoro ha rivelato che le mosche spaziali avevano cuori più piccoli che erano meno contrattili, riducendo la loro capacità di pompare il sangue e rispecchiando i sintomi osservati negli astronauti. Anche il tessuto cardiaco ha subito un ampio rimodellamento. Per esempio, le fibre muscolari normalmente parallele si sono disallineate e hanno perso il contatto con le strutture fibrose circostanti che consentono al cuore di generare forza, con conseguente riduzione del pompaggio.

"Nel normale cuore di mosca, le fibre muscolari funzionano come le tue dita quando strizzano un tubetto di dentifricio. Nello spazio vola, la contrazione era come cercare di far uscire il dentifricio premendo invece di spremere, " spiega Ocorr. "Per gli umani, questo potrebbe diventare un grosso problema".

Con sorpresa degli scienziati, la matrice extracellulare fibrosa (ECM) che circonda il cuore delle mosche spaziali era significativamente ridotta. Dopo una lesione cardiaca come un attacco di cuore, questo tessuto di supporto è spesso iperprodotto e interferisce con la funzione cardiaca. Per questa ragione, l'interazione tra l'ECM e il cuore è un'area di ricerca attiva per gli scienziati del cuore.

"Eravamo molto entusiasti di trovare diverse proteine ​​interagenti con l'ECM che erano disregolate nelle mosche spaziali, "dice Rolf Bodmer, dottorato di ricerca, direttore e professore di Sviluppo, Programma di invecchiamento e rigenerazione presso Sanford Burnham Prebys e co-autore senior dello studio. "Queste proteine ​​non erano in precedenza sul radar dei ricercatori del cuore, quindi questo potrebbe accelerare lo sviluppo di terapie che migliorano la funzione cardiaca riducendo la fibrosi".

La punta dell'iceberg

Ocorr e Bodmer sono ancora impegnati ad analizzare i dati genetici e molecolari di questo studio e credono che queste intuizioni siano la "punta dell'iceberg" per questo tipo di ricerca. I problemi di vista sono comuni negli astronauti, quindi gli scienziati stanno anche analizzando il tessuto oculare delle mosche spaziali. Un'altra area di interesse riguarda i cuccioli delle mosche nate nello spazio, che aiuterebbe a rivelare eventuali effetti ereditari del volo spaziale. Mentre la salute degli astronauti è l'obiettivo primario, le persone sulla Terra potrebbero in definitiva essere i maggiori beneficiari di questo lavoro pionieristico.

"Sono fiducioso che la ricerca sulle malattie cardiache trarrà beneficio dalle intuizioni che stiamo ottenendo da questi voli, " dice Ocorr. "Capire come funziona il cuore nello spazio ci insegnerà anche di più su come funziona il cuore e può rompersi sulla Terra".