Опухолевые клетки растут на гранулах микроносителя (обозначены стрелкой) в биореакторе НАСА. Эти клетки были выращены в рамках спонсируемого НАСА исследования рака груди. (Доктор. Жанна Беккер / NASA Spinoff)
(Физ.org). Для биологов-онкологов в лаборатории, разглядывающих в микроскопы образцы окрашенных тканей при флуоресцентном освещении, Международная космическая станция может быть последним, что приходит на ум. Но 40 лет исследований в условиях микрогравитации доказывают, что биологи-раковые биологи действительно могут захотеть заглянуть на 220 миль вверх. Космос предоставляет физические условия, которые невозможны на Земле, и, как оказалось, эти условия могут быть подходящими для изучения рака – наряду с широким спектром других болезней.
Клетки в организме человека обычно растут в поддерживающих структурах, состоящих из белков и углеводов, благодаря чему органы и опухоли сохраняют свою трехмерную форму. Однако в лабораторных условиях клетки вырастают плоскими, распределяясь по листам. Поскольку они не дублируют формы, которые обычно создают в теле, они также не ведут себя так, как в теле. Это создает проблемы для ученых, изучающих рак, исследуя генетические изменения, влияющие на рост и развитие клеток.
Ученые разработали несколько лабораторных методов для имитации нормального клеточного поведения, но ни один из них не работает точно так, как это делает организм. Однако в космосе клетки, которые не находятся внутри живого организма, называемые клетками in vitro, по-прежнему объединяются в трехмерные группы или агрегаты. Эти агрегаты больше напоминают то, что происходит в организме. Клетки в условиях микрогравитации также могут легче слипаться, и они испытывают пониженное напряжение сдвига жидкости – тип турбулентности, который может повлиять на их поведение. Все эти факторы могут помочь ученым изучить поведение клеток – и то, как изменения в этом поведении могут привести к раку – в состоянии, более напоминающем клетки в организме.
"Так много всего меняется в трехмерном пространстве, это просто потрясающе – когда вы смотрите на функции клетки, как они представляют свои белки, как они активируют гены, как они взаимодействуют с другими клетками," сказала Жанна Беккер, доктор философии.D., клеточный биолог в Nano3D Biosciences в Хьюстоне и главный исследователь CBOSS-1-Ovarian. "Переменная, на которую вы больше всего смотрите здесь, – это гравитация, и вы не можете отнять гравитацию на Земле. Вы должны идти туда, где уменьшается гравитация."
Сканирующая электронная микрофотография мюллеровской клетки рака яичников человека, выращенной в условиях микрогравитации. Показанная трехмерная структура намного ближе по истинному размеру и форме к естественным опухолевым клеткам, обнаруживаемым у онкологических больных. (НАСА)
Беккер является автором недавней статьи в журнале Nature Reviews Cancer, в которой рассматриваются исследования клеточной биологии в условиях микрогравитации за последние четыре десятилетия, а также то, как эти результаты продолжают использоваться в исследованиях рака на Земле. Начиная со Skylab в 1970-х годах и заканчивая текущими исследованиями на орбите, Беккер и соавтор Глауко Р. Соуза выделяет около 200 научных работ, основанных на космических экспериментах и исследованиях.
Эксперименты на космическом шаттле, российских транспортных средствах и космической станции показали изменения в иммунных клетках, в том числе изменения в клеточных сигнальных цитокинах, что указывает на подавление иммунной системы в условиях микрогравитации. Даже архитектура клеток изменяется в условиях микрогравитации, с изменениями клеточных стенок, внутренней организации и даже их основных форм. В космосе, согласно обзору Беккера, клетки более круглые.
Другие исследования показали множество изменений в генетической экспрессии. Во время исследования миссии STS-90 на борту космического корабля “Колумбия” в 1998 году клетки культивировали в течение шести дней и вернули на Землю для анализа. Впоследствии исследование 10000 генов показало, что выражения 1632 генов были изменены в условиях микрогравитации по сравнению с наземным контролем. Это был первый эксперимент, показавший, что пониженная гравитация может влиять на широкий спектр генов.
На борту «Колумбии» во время миссии STS-107 рак простаты и костные клетки выросли в трехмерной структуре внутри Демонстрационной системы биореактора (BDS – 05). По словам Беккера, ранние признаки показали наличие крупных скоплений клеток, указывающих на большой рост. Но исследование было потеряно вместе с шаттлом и его командой во время возвращения в атмосферу в феврале. 1, 2003 г.
Система поддержки операций в области клеточной биотехнологии (CBOSS-01-Ovarian) на борту космической станции содержит инкубатор клеток, который может выращивать трехмерные кластеры клеток, и ученые использовали его для изучения изменений в раковых клетках толстой кишки, яичников и других людей. В одном недавнем результате Беккер отметил снижение продукции цитокинов в линии опухолевых клеток яичников Мюллера (LN1) человека. Цитокины – это небольшие белки, которые секретируются, чтобы опосредовать и регулировать иммунитет и воспаление. Понимание изменений в производстве этих белков и изменений в передаче сигналов в клетках, которые способствуют этим изменениям в производстве, может помочь исследователям понять механизмы развития опухолевых клеток.
Покадровая выдержка вращения биореактора. Биореактор – это специальный инкубатор, который мягко вращается для циркуляции среды роста клеток, предотвращая при этом турбулентность, которая может повредить клетки. (НАСА / Деннис Олив)
Хотя клетки растут в трехмерных структурах в условиях микрогравитации, они не обладают кровеносными сосудами, которые могут обеспечивать кислород и питательные вещества, поэтому клетки в центре агрегата, скорее всего, погибнут. Но это все же не недостаток, сказал Беккер. У объемных опухолей также есть участки мертвой ткани рядом с их центрами, что совпадает с медленной скоростью роста рака."У вас также есть соседние клетки, которые не мертвы, но на самом деле они не вращаются. У них все еще рак, и у них может развиться повышенная устойчивость к химиотерапии," сказал Беккер. "Это в точности отражает то, что вы видите в человеческом раке."
По словам Беккера, даже пока они сидят за лабораторным столом, исследователи могут достичь новых высот, используя микрогравитационную среду станции. "У меня была возможность воочию увидеть, что может случиться. Это довольно удивительно. Жалко не использовать в полной мере преимущества этой платформы для открытий," она сказала. "Это единственная в своем роде лаборатория; это оно. А теперь самое время, потому что станция полностью закончена и доступна."
В последние годы исследования на Земле догнали трехмерные клеточные структуры. В исследованиях раковых клеток и других тканей используется матрица коллагенового геля, которая приостанавливает клетки в трехмерном пространстве. Сочетание этих методов с ресурсами, доступными в условиях микрогравитации, может дать совершенно новые подходы к изучению рака. В конечном счете, исследования в условиях микрогравитации и на Земле могут помочь ученым точно определить клеточные изменения, которые приводят к раку, и, возможно, найти новые способы их предотвращения, что приведет к новым методам лечения, которые могут улучшить качество жизни пациентов с этим заболеванием.