Vuelo espacial altera genes de células madre humanas: células cardíacas derivadas

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Cuando los astronautas entran en entornos de microgravedad en el espacio, experimentan una variedad de cambios fisiológicos en muchas partes del cuerpo. Un equipo de investigadores dirigido por Joseph Wu, director del Instituto Cardiovascular de Stanford, envió recientemente cardiomiocitos hechos de células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPSC) a la Estación Espacial Internacional con astronautas para estudiar los cambios en las células. A través de la secuenciación del ARN, encontraron que muchos genes en las células se expresaban de manera diferente a los que no iban al espacio, incluidos los genes para el metabolismo de las mitocondrias. Sus resultados se publicaron hoy (7 de noviembre) en Stem Cell Reports.

El aumento en la actividad del gen del metabolismo mitocondrial que se encuentra en las células cardíacas en microgravedad también se ha encontrado en estudios previos en microgravedad de células sanguíneas, lo que sugiere que ciertas respuestas celulares a los vuelos espaciales pueden ocurrir en múltiples tipos de células, escriben los autores en el estudio. Wu le dice a The Scientist que es posible que la regulación positiva pueda estar asociada con un intento de las células de mitigar la disfunción mitocondrial asociada con la enfermedad cardiovascular, que los astronautas tienen un mayor riesgo de padecer, pero será necesaria más investigación para comprender la observación de su último experimento.

 El estudio es un punto de partida para comprender la base genética de las alteraciones cardíacas que experimentan los astronautas. Uno de los mayores cambios que ve el sistema cardiovascular en los vuelos espaciales es la redistribución de la sangre, porque no hay gravedad tirando de la sangre hacia los pies, dice Alexa Wnorowski, estudiante de posgrado en el laboratorio de Wus, a The Scientist. El corazón no tiene que trabajar tan duro para bombear sangre por todo el cuerpo, dice ella, lo que puede hacer que los músculos de los órganos se atrofien. Además, el corazón cambia de forma. Después de largos días en microgravedad, se vuelve más redondeado, dice Wnorowski. Se desconoce el motivo de esto, pero podría deberse a la falta de gravedad que normalmente tira del corazón hacia abajo.

Los investigadores querían estudiar los efectos de la microgravedad usando células del corazón, pero es realmente difícil obtener cardiomiocitos de ellas. un ser humano, dice Wnorowski. Las únicas opciones para obtener células son del corazón extirpado quirúrgicamente de un paciente con insuficiencia cardíaca o de una biopsia. En su lugar, recolectaron células mononucleares de sangre periférica de tres individuos sanos, las indujeron a convertirse en iPSC y las convirtieron en cardiomiocitos. Las células cardíacas derivadas de células madre se enviaron a la Estación Espacial Internacional (ISS) en julio de 2016, donde la viróloga convertida en astronauta Kate Rubins y otros astronautas mantuvieron los cultivos celulares durante 5,5 semanas antes de enviarlos de vuelta a la Tierra.

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Una vez que las células estuvieron en el suelo, el equipo de Wu las analizó para determinar qué cambios habían ocurrido. Aunque los investigadores no observaron diferencias significativas en la abundancia de proteínas del músculo contráctil o en la forma de las células cardíacas, sí encontraron que 2635 genes se expresaban de manera diferencial. Algunos genes estaban regulados al alza, mientras que otros estaban regulados a la baja.

La categoría más grande de genes más activos estaba relacionada con el funcionamiento mitocondrial, y este aumento en la expresión génica persistió durante al menos 10 días después del aterrizaje. Los investigadores también encontraron cambios en el reciclaje de calcio y la expresión de genes de miofilamentos. Los efectos de estos cambios no están claros, pero los hallazgos sugieren que, incluso a nivel celular, los cardiomiocitos humanos pueden responder funcionalmente a los cambios en la gravedad aparente, escriben los autores en el artículo.

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En el futuro, el laboratorio planea enviar al espacio estructuras de tejido cardíaco derivadas de células madre en 3D con múltiples tipos de células. El estudio publicado hoy es solo un pequeño paso para tratar de comprender la biología, especialmente en el sistema cardíaco, de los viajes espaciales en microgravedad, dice Wu a The Scientist. Estamos apenas en el comienzo de la investigación de la frontera espacial y, con suerte, este tipo de estudio inspirará a otras personas a pensar en estudios adicionales, dice.

Debido a que los vuelos espaciales ofrecen enormes desafíos logísticos para la experimentación biológica con organismos completos, como los roedores, nos corresponde desarrollar modelos de células y tejidos humanos de mayor fidelidad y rendimiento para estudiar los factores de los vuelos espaciales, dice Eduardo Almeida, científico principal del Centro de Investigación Ames de la NASA que no participó en el estudio, a The Scientist. El estudio de Wu abre nuevos caminos en esta área al demostrar la viabilidad de estos estudios de biología celular de próxima generación en la ISS, así como al informar nuevos hallazgos sobre cómo la ausencia de gravedad altera aspectos clave de la función de los cardiomiocitos.

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Los hallazgos del estudio podrían tener beneficios para generar cardiomiocitos más realistas, Chunhui Xu, investigador de cardiomiocitos en la Facultad de Medicina de la Universidad de Emory que fue no participó en el estudio, le dice a The Scientist. Saber cómo aumentar la función mitocondrial en los cardiomiocitos hiPSC podría conducir a la generación de células cardíacas similares a las adultas, ya que los cardiomiocitos hiPSC son típicamente células fetales y tienen una función mitocondrial más baja que las células adultas, dice Xu.

A. Wnorowski et al., Efectos de los vuelos espaciales en la estructura y función de los cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas por humanos, Stem Cell Rep, doi :10.1016/j.stemcr.2019.10.006, 2019.

Emily Makowski es pasante en The Scientist. Envíele un correo electrónico a emakowski@the-scientist.com.