L’esplorazione spaziale non solo affascina gli scienziati, ma offre anche opportunità senza precedenti per avanzare nella comprensione della salute umana. Un gruppo di ricercatori della Stanford University ha sviluppato un sistema innovativo chiamato “muscle-on-chip”, un modello tridimensionale di cellule muscolari umane coltivate su impalcature di collagene. Questi sistemi sono stati inviati sulla Stazione Spaziale Internazionale per analizzare i meccanismi dell’atrofia muscolare, un fenomeno ben noto nei astronauti che trascorrono lunghi periodi in microgravità.
Lo studio e l’obiettivo della ricerca
L’importanza del microgravity per la salute umana
Il team guidato dalla professoressa Ngan F. Huang ha scoperto che gli effetti della microgravità sui muscoli umani somigliano in modo inquietante ai processi di invecchiamento accelerato. “Abbiamo appreso che la microgravità emula alcune delle caratteristiche dell’invecchiamento”, ha affermato Huang, sottolineando l’importanza di determinare come questi ambienti estremi possano influenzare la biologia umana.
La ricerca è nata dalla combinazione delle competenze del laboratorio di Huang nel campo della medicina rigenerativa e dell’ingegneria tissutale. Con finanziamenti destinati a un esperimento di ingegneria tissutale sull’ISS, il team ha iniziato a progettare l’attrezzatura necessaria per condurre studi sulle condizioni di microgravità. L’obiettivo era valutare in che modo questi fattori ambientali potessero influire sulla salute muscolare degli astronauti.
Dettagli sui sistemi muscle-on-chip
Creazione e gestione dei campioni
Il primo passo nella creazione dei sistemi muscle-on-chip è stato lo sviluppo di una piattaforma in cui i miotubi umani, le cellule che si organizzano in fasci paralleli e che in ultima analisi diventano fibre muscolari, venissero coltivati su impalcature di collagene. Questo approccio mirava a far sì che i campioni imitassero in modo più realistico i muscoli umani. Tuttavia, una delle sfide principali è stata quella di garantire la sopravvivenza delle cellule nello spazio.
“In generale, quando coltiviamo cellule sulla Terra, versiamo semplicemente il mezzo – un liquido ricco di nutrienti – sopra le cellule, ma in assenza di gravità, era necessario sviluppare una camera chiusa, impermeabile e ben sigillata in cui il mezzo si agitasse”, ha spiegato Huang. Oltre alla sfida tecnica, mantenere i livelli di ossigeno e anidride carbonica ha richiesto l’uso di membrane permeabili e sistemi di scambio di liquidi complessi, stigmatizzati da siringhe e porti progettati su misura.
Analisi dei geni dell’atrofia
Risultati significativi con implicazioni cliniche
Il team di Huang ha creato due set di sistemi muscle-on-chip: uno sulla Terra e uno sull’ISS. La ricerca mirava a confrontare i geni che mostrano variazioni nella loro attività in condizioni di microgravità. È emerso che un numero rilevante di geni associati all’invecchiamento presentava un aumento della loro espressione sottoposti a tali condizioni.
Un aspetto cruciale della ricerca è stata l’analisi del mezzo di crescita delle cellule. “Ci siamo concentrati sull’identificazione delle proteine rilasciate dalle cellule in relazione alla microgravità. Tra queste, la GDF15 ha attirato particolare attenzione per il suo ruolo nelle patologie legate alla disfunzione mitocondriale e alla senescenza”, ha detto Huang.
La condizione delle cellule sulla ISS ha mostrato similitudini con la sarcopenia, una malattia legata alla perdita muscolare associata all’età. Malgrado le analogie, Huang ha avvertito che il modello utilizzato non era perfettamente comparabile ai campioni muscolari clinici, essendo principalmente costituito da cellule muscolari su una piattaforma inerte priva di vasi sanguigni o nervi.
Sperimentazione di farmaci in orbita
Test e risultati dei farmaci
Dopo aver analizzato gli effetti della microgravità sui campioni muscolari, il team ha avviato test di screening per possibili farmaci. Tra i farmaci testati c’era l’IGF-1, un fattore di crescita naturale attivo nei tessuti, che svolge un ruolo cruciale nella rigenerazione muscolare in caso di infortunio. “L’IGF-1 tende a decrescere nei muscoli invecchiati e la sua somministrazione potrebbe favorire la rigenerazione”, ha spiegato Huang.
Un altro farmaco testato è stato il 15-PGDH-i, un inibitore relativamente recente degli enzimi che ostacolano la rigenerazione muscolare. L’applicazione di questi farmaci ha mostrato un parziale miglioramento dei sintomi legati alla microgravità. Tuttavia, Huang ha puntualizzato che l’ambiente dell’ISS presenta una serie di sfide uniche, tra cui l’esposizione ai raggi ionizzanti, complicando l’interpretazione dei risultati.
Il team prevede di eseguire esperimenti simili sulla Terra in condizioni simulate di microgravità per isolare gli effetti specifici della mancanza di gravità. “Con le attrezzature specializzate recentemente acquisite, sarà possibile studiare più approfonditamente l’impatto esclusivo della microgravità”, ha affermato Huang. Questi studi si concentreranno su una gamma più ampia di farmaci, mirati allo sviluppo di terapie preclusive per combattere l’atrofia muscolare durante le missioni spaziali.
Le scoperte e le sperimentazioni di questo ambizioso programma di ricerca saranno cruciali per creare strategie più efficaci e sostenibili per mantenere la salute muscolare degli astronauti, promuovendo un’ulteriore esplorazione nello spazio profondo.