Forskare vid Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute har visat att fruktflugor som tillbringade flera veckor på den internationella rymdstationen (ISS) – ungefär hälften av sina liv – upplevde djupgående strukturella och biokemiska förändringar i sina hjärtan. Studien, publiceras idag i Cellrapporter , antyder att astronauter som tillbringar lång tid i rymden - vilket skulle krävas för att bilda en månkoloni eller resa till avlägsna Mars - kan drabbas av liknande effekter och kan dra nytta av skyddsåtgärder för att hålla sina hjärtan friska. Forskningen avslöjade också nya insikter som en dag skulle kunna hjälpa människor på jorden som ligger på långvarig sängläge eller lever med hjärtsjukdomar.

"För första gången, vi kan se de cellulära och molekylära förändringarna som kan ligga bakom hjärttillstånden som ses i astronautstudier, " säger Karen Ocorr, Ph.D., biträdande professor i utveckling, Aging and Regeneration Program vid Sanford Burnham Prebys och medförfattare till studien. "Vi inledde denna studie för att förstå effekterna av mikrogravitation på hjärtat, och nu har vi en färdplan som vi kan använda för att börja utveckla strategier för att hålla astronauthjärtan starka och friska."

Tidigare studier har visat att under mikrogravitationsförhållanden, det mänskliga hjärtat skiftar från en oval till en mer sfärisk form. Rymdflykt gör också att hjärtmuskeln försvagas (atrofi), minska dess förmåga att pumpa blod genom hela kroppen. Dock, tills nu, studier av mänskliga hjärtan – slutförda med ultraljud utförda på ISS – har begränsats till ett relativt litet antal astronauter. Även om det är viktigt, dessa studier avslöjade inte de cellulära och molekylära förändringarna som driver dessa omvandlingar – information som behövs för att utveckla motåtgärder som kommer att hålla astronauterna säkra på långa flygningar.

"När vi fortsätter vårt arbete med att etablera en koloni på månen och skicka de första astronauterna till Mars, att förstå effekterna av förlängd tid i mikrogravitation på människokroppen är absolut nödvändigt, " säger Sharmila Bhattacharya, Ph.D., senior forskare vid NASA och en studieförfattare. "Dagens resultat visar att mikrogravitation kan ha dramatiska effekter på hjärtat, tyder på att medicinsk intervention kan behövas för långvariga rymdresor, och peka på flera riktningar för terapeutisk utveckling."

Fruktflugor är förvånansvärt bra modeller för att studera det mänskliga hjärtat. Insekterna delar nästan 75% av de sjukdomsalstrande gener som finns hos människor, och deras rörformade hjärtan speglar en tidig version av vår – som börjar som ett rör när vi är i livmodern och senare viker sig in i de fyra kamrarna som vi är bekanta med. Lyckligtvis, fruktflugor är också till stor del självförsörjande. All mat som flugorna behövde under resan fanns i speciella lådor designade för den här studien – vilket gjorde att upptagna astronauter kunde fokusera på andra uppgifter.

Resan till rymden

I studien, forskarna skickade de speciella "ventilerade fluglådorna" innehållande flaskor fyllda med några kvinnliga och manliga fruktflugor till ISS för en en månad lång omloppsbana. I rymden, dessa flugor producerade hundratals spädbarn som upplevde tre veckors mikrogravitation – den mänskliga motsvarigheten till tre decennier. Fruktflugorna som föddes i rymden återvände till jorden via ett stänk utanför Baja Californias kust. En medlem av det vetenskapliga teamet hämtade flugorna från Port of Long Beach och – mycket försiktigt – körde exemplaren till Sanford Burnham Prebys campus i La Jolla, Kalifornien.

När flugorna väl kom till labbet, forskarna satte igång. Tester av hjärtfunktionen måste göras inom 24 timmar efter återkomsten till jorden så att gravitationen inte skulle störa resultaten. Forskarna arbetade dygnet runt för att mäta flugornas

förmåga att klättra upp i ett provrör; att fånga videor av de bankande hjärtan för att mäta kontraktilitet och hjärtfrekvens; och att bevara vävnad för framtida genetiska och biokemiska analyser, inklusive kartläggning av genuttrycksförändringar som inträffade i hjärtat.

Omfattande vävnadsrenovering

Detta arbete avslöjade att rymdflugorna hade mindre hjärtan som var mindre sammandragande – vilket minskade deras förmåga att pumpa blod och speglade symtom som ses hos astronauter. Hjärtvävnaden genomgick också en omfattande ombyggnad. Till exempel, de normalt parallella muskelfibrerna blev felinriktade och förlorade kontakten med de omgivande fibrösa strukturerna som tillåter hjärtat att generera kraft - vilket resulterade i försämrad pumpning.

"I det normala flughjärtat, muskelfibrerna fungerar som dina fingrar när de klämmer en tub tandkräm. I rymden flyger, sammandragningen var som att försöka få ut tandkrämen genom att trycka ner istället för att klämma, " förklarar Ocorr. "För människor, det här kan bli ett stort problem."

Till forskarnas förvåning, den fibrösa extracellulära matrisen (ECM) som omger hjärtat av rymdflugorna reducerades signifikant. Efter en hjärtskada som en hjärtattack, denna stödvävnad är ofta överproducerad och stör hjärtfunktionen. Av denna anledning, samspelet mellan ECM och hjärtat är ett aktivt forskningsområde för hjärtforskare.

"Vi var mycket glada över att hitta flera ECM-interagerande proteiner som var oreglerade i rymdflugorna, säger Rolf Bodmer, Ph.D., direktör och professor i utveckling, Aging and Regeneration Program vid Sanford Burnham Prebys och medförfattare till studien. "Dessa proteiner var inte tidigare på radarn hos hjärtforskare, så detta kan påskynda utvecklingen av terapier som förbättrar hjärtfunktionen genom att minska fibros."

Toppen av isberget

Ocorr och Bodmer är fortfarande upptagna med att analysera genetiska och molekylära data från denna studie och tror att dessa insikter är "toppen på isberget" för denna typ av forskning. Synproblem är vanliga hos astronauter, så forskarna analyserar också ögonvävnad från rymdflugorna. Ett annat intresseområde är bebisen av flugorna som föddes i rymden, vilket skulle hjälpa till att avslöja eventuella nedärvda effekter av rymdfärd. Även om astronauthälsa är det primära målet, människor på jorden kan i slutändan vara de största förmånstagarna av detta banbrytande arbete.

"Jag är övertygad om att hjärtsjukdomsforskning kommer att dra nytta av de insikter vi får från dessa flygningar, ", säger Ocorr. "Att förstå hur hjärtat fungerar i rymden kommer också att lära oss mer om hur hjärtat fungerar och kan gå sönder på jorden."