Исследования в области µg требуют особых усилий. Если ускорения свыше 1g легко достигаются в лабораторных условиях, например, с помощью центрифуг, то µg -условия не могут быть созданы по требованию. Однако существуют определенные экспериментальные установки, позволяющие проводить эксперименты с µg . Мы приводим краткий обзор различных возможностей. Основные параметры приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры различных микрогравитационных платформ.

Если тело подчиняется ускорению, то сила на него не действует. Поэтому свободное падение в вакуумированной трубе (без воздушного сопротивления) создает моменты невесомости. Эксперимент должен быть помещен в прочный герметичный контейнер, выдерживающий замедление при ударе о дно трубы. Существуют различные конструкции: эвакуированная трубка может быть либо замурована, либо установлена внутри экранирующей башни. Примером первой конструкции является установка NASA для исследования невесомости в Исследовательском центре имени Гленна [19]: в отверстии глубиной 155 м находится стальная труба, в которую опускается экспериментальная капсула-носитель. Вторая конструкция используется в Бременской башне падения (Германия) [29]: в бетонной башне высотой 146 м расположена труба падения длиной 122 м. В 2004 году под замедляющим ковшом была установлена катапульта [17]. Катапультирование экспериментальной капсулы вверх перед ее падением вниз удваивает период µg , но вносит сильное ускорение в момент запуска. Меньшие устройства позволяют получить только короткие периоды µg , но более просты по конструкции, так как не требуют использования эвакуирующей трубы. Эти установки получили широкое распространение в последние годы [30,31]. Недавно была разработана новая концепция "Эйнштейн-лифта" в Ганноверском университете (Германия) [21]. Здесь кабина, похожая на лифт (гондола), движется по рельсам внутри 40-метровой башни. Внутри гондолы находится экспериментальная капсула, единственный объем которой подлежит эвакуации. Гондолу можно опустить или разогнать снизу вверх, чтобы затем опустить обратно. Экспериментальная капсула свободно плавает внутри гондолы. Такая же конструкция реализована в новейших капсулах для высокочувствительных экспериментов в Бременской башне падения [18]. Теоретически на Эйнштейн-лифте возможно одно падение каждые четыре минуты, что составляет 100 падений в течение обычного 8-часового рабочего дня. Однако реальное количество сбросов в день сильно зависит от индивидуального плана эксперимента. Аналогичная установка строится в Китайской академии наук [32]. В целом эксперименты на каплеуловителях должны быть полностью автоматизированы. Из всех платформ башни-самосвалы предоставляют наиболее частые возможности для проведения экспериментов, ограниченные только временем подготовки и финансированием.

Параболические полеты обеспечивают более длительные периоды µg [22]. Типичная параболическая полетная кампания (ППК), предлагаемая компанией Novespace (Бордо-Мериньяк, Франция), содержит 3-4 полетных дня с 31 параболой в каждом полете [33]. Во время полета по параболе самолет сначала набирает высоту под все большим углом ("разгон"). При угле 50° ("впрыск") тяга уменьшается, и самолет и все, что в нем находится, принимает траекторию параболы: начинается период µg (рис. 2А). Далее самолет поднимается в точку апекса и начинает нисходящую траекторию. Пилоты корректируют траекторию полета с учетом сопротивления и соответствующим образом переориентируют самолет. Под углом примерно -42° мощность двигателей восстанавливается, и самолет возвращается в горизонтальное положение ("вытягивается"), что знаменует окончание µg-периода (рис. 2А). Параболический полет позволяет ученым сопровождать свой эксперимент в самолете (рис. 2Б), поэтому он не должен быть полностью автоматизирован (рис. 2Б-Д). Кроме того, он позволяет менять контейнеры с образцами, чтобы получить больше материала для дальнейшего анализа. Однако образцы, полученные позднее в полете, испытали все изменения силы тяжести, произошедшие ранее, что необходимо учитывать при анализе. PFC проводятся несколько раз в год, что делает их вторыми по доступности µg -платформами.



Figure 2. Parabolic flight campaign (PFC). (A) Time sequence of a parabola. (B) Airbus A310 AirZeroG aircraft from Novespace at the PFC in Bordeaux, France (October 2022). (C) The PFC flight rack with an incubator. (D) The injection unit of the flight rack during preparation. It is used for fixation of the cells with RNAlater or other fixatives.

Для достижения более длительных периодов воздействия µg необходимо оставить позади земное притяжение. Зондирующие ракеты летят по баллистической кривой и достигают космоса (высота более 100 км) [23]. Имеются ракеты различных размеров, обеспечивающие различное время воздействия µg . Все эксперименты должны быть полностью автоматизированы. Ракета New Shepard компании Blue Origin не является традиционной зондирующей ракетой и предоставляет возможность проведения экспериментов на этапе ее квалификации [24]. Такие платформы доступны лишь несколько раз в год.

Исторически периоды µg от нескольких дней до нескольких недель достигались при полетах на российских возвращаемых спутниках или, в прошлом, на космическом корабле Space Shuttle (официальное название Space Transportation System (STS)). В настоящее время такие возможности встречаются довольно редко: STS прекратил свое существование в 2011 году, а на 2022 год готовится только одна кампания с российским БИОН М-2, и недавно было объявлено о планах создания нового биоспутника [34]. В 2016 году был запущен китайский биоспутник, но пока неясно, будет ли этот подход реализован в дальнейшем [28]. Иногда эксперименты могут проводиться в рамках миссий по пополнению запасов на МКС [25,26]. Достаточно новым подходом является миниатюризация и автоматизация экспериментов таким образом, чтобы они помещались в CubeSat [35]. Наименьший формат, называемый 1U (от англ. unit - единица), имеет размеры примерно 10 х 10 х 10 см. Блоки могут быть объединены в версии 2U, 3U или 6U. Ограничения по пространству и массе являются сложными, хотя стоимость запуска вполне доступна из-за их малых размеров. Кроме описанных ранее платформ, CubeSat не способны возвращать образцы в лабораторию, что делает практически невозможным проведение расширенного анализа. Тем не менее биологические эксперименты были успешно проведены или запущены еще в 2022 году в рамках миссии ARTEMIS [36,37].

Самая длительная экспозиция µg может быть достигнута на МКС: ее продолжительность практически не ограничена [38]. Потенциальное время экспозиции не только превосходит все другие платформы, но также стоимость и время подготовки, что делает МКС достаточно эксклюзивным объектом для исследований. Кроме того, на борту установлены эталонные центрифуги для контроля 1g в полете, что дает возможность проверить наличие специфических для космоса факторов [39]. В 2021 году Китайская Народная Республика запустила основной модуль "Тяньхэ" собственной космической станции "Тяньгун". Тяньгун" - это китайский национальный проект, но некитайские ученые могут получить доступ к нему через коллаборацию и воспользоваться дополнительными возможностями для проведения µg -экспериментов [40]. По состоянию на ноябрь 2022 года два научных модуля - "Вэньтянь" и "Мэнтянь" - дополняют станцию в ее первой конфигурации. Так же, как и эксперименты на биоспутниках, таксомоторах и CubeSat, эксперименты на МКС достаточно редки по сравнению с экспериментами на описанных ранее платформах.

В связи с ограниченными возможностями облучения r-µg были разработаны методики, имитирующие µg . Вопрос о том, достигают ли эти методики поставленных целей или просто оказывают определенное стрессовое воздействие на испытуемых, приводящее к получению результатов, отличных от 1g-контроля, является предметом дискуссий. Многочисленные исследования позволили сравнить результаты r-µg с результатами, полученными с помощью различных симуляторов [41,42], и показали, что их пригодность зависит от организма испытуемого.

С помощью двумерного (2D)- или трехмерного (3D)-клиностата образец можно поворачивать по одной или двум осям так, чтобы результирующая сила в среднем равнялась нулю [43]. Аналогичное устройство - машина случайного позиционирования (RPM) - вращает образец в непрерывном движении, включая изменение направления, достигая аналогичного результата (рис. 3) [44]. Однако предположение о том, что сила тяжести аннулируется, справедливо только для точки, находящейся в центре движения, поскольку за его пределами вращательное движение образца будет приводить к приложению центробежной силы. Поэтому данный метод ограничен небольшими организмами или небольшими частями образцов тканей, помещенными в центр движения.



Figure 3. Ground-based s-µg facilities: (A) The Random Positioning Incubator (RPI) developed by the 'Fachhochschule Nordwestschweiz' (FHNW) and the 'Eidgen?ssische Technische Hochschule' (ETH) Zurich, Switzerland, (B) a desk-top random positioning machine housed in an incubator purchased from Yuri GmbH Meckenbeuren, Germany, (C) the NASA-developed Rotating Wall Vessel, (D) the ClinoStar CO2 incubator with integrated clinostat (CelVivo ApS, Odense, Denmark), and (E) a 2D fast-rotating clinostat for adherent cells in slide flasks (developed by the German Space Agency, Cologne, Germany).

Сосуды с вращающейся стенкой (перфузионные сосуды) (RWV или RWPV, также сосуды с высоким аспектным отношением, HARV или сосуды с моделированием микрогравитации с низким сдвигом (LSMMG)) представляют собой цилиндры, заполненные жидкостью (средой), в которой взвешены частицы или организмы (рис. 3С) [45-47]. Вращение компенсирует седиментацию частиц, удерживая их во взвешенном состоянии (и поэтому соображения Dedolph and Dipert применимы в той же мере).

К подобному типу относится вращающаяся система культивирования клеток (RCCS), в которой используются сосуды, похожие на чашки Петри. Недавно были утверждены более простые конструкции заказных устройств, что позволило сделать эту технологию более доступной [48,49].

Диамагнетизм описывает, что непара- или неферромагнитное вещество отталкивается от внешнего магнитного поля, поскольку оно индуцирует магнитное поле в противоположном направлении. Поскольку многие органические соединения и вода являются диамагнитными, биоматерия может быть подвешена в достаточно сильном магнитном поле (более 15 Т). Эта так называемая магнитная левитация может быть использована для моделирования µg . Обычно она используется для облучения клеточных культур [50], тканей и мелких организмов [51]; однако в одной из препринтов была опубликована информация о возможности создания в ближайшем будущем устройства магнитной левитации, достаточно большого для размещения в нем человека на более длительное время [52].

Известным методом имитации µg у грызунов является подвешивание задних конечностей (также называемое разгрузкой задних конечностей или анти-ортостатическим подвешиванием грызунов) [53]. При этом задние конечности животного поднимаются за хвост с помощью шкива над клеткой. После нескольких дней адаптации животное ведет себя нормально, используя для передвижения по клетке только передние лапы. Таким образом, имитируется как разгрузка сил на кости и мышцы, так и смещение цефалической жидкости.

В настоящее время единственным практическим методом моделирования воздействия µg на человека являются исследования в режиме "голова вниз" (HDBR): испытуемый лежит на наклонной кровати (~6°) так, что его голова находится ниже ног. Эксперименты длятся от нескольких дней до многих недель. Типичные эффекты, возникающие при воздействии р-µg , такие как снижение плотности костной ткани, мышечной массы и мышечной силы или смещение цефалической жидкости, также наблюдаются при HDBR [54].

Наконец, важно подчеркнуть, что всегда следует проявлять осторожность при сравнении данных, полученных с помощью наземных моделей µg без радиации, с экспериментами, проводимыми в реальных µg , которые сами по себе включают значительное дополнительное ионизирующее излучение. Одним из способов решения этой проблемы является использование во время космического полета бортовой эталонной центрифуги 1g [38].

Микрогравитационная среда создает множество стрессовых факторов для космонавтов. Siddiqui et al. считают, что важно поддерживать здоровый биом кишечника во время длительного пребывания в космосе, поскольку существует взаимосвязь между биомом кишечника и состоянием здоровья [55]. Биом кишечника взаимодействует с иммунной системой и жизненно важен для физиологии костей и мышц, общего метаболического и неврологического здоровья. Бактерии кишечника и их метаболиты (например, короткоцепочечные жирные кислоты) влияют на функции тканей и энтеральной нервной системы. Космический полет сильно нарушает разнообразие и состав биома кишечника [56]. Дисбиоз биома кишечника может приводить к повышению его проницаемости, провоцируя высвобождение воспалительных интерлейкинов, фактора некроза опухоли (TNF) и фактора роста эндотелия сосудов a (VEGFa) [55]. Важно отметить, что бактерии - не единственные организмы, обитающие в кишечнике. Необходимо учитывать также вирусы, археи, грибы и эукариотические паразиты/комменсалы, такие как гельминты, которые взаимодействуют друг с другом. Различные группы организмов по-разному влияют на иммунную систему хозяина. Как показано в работе Vemuri et al. [57], некоторые бактерии, вирусы, некоторые археи и грибы стимулируют макрофаги или дендритные клетки (которые, в свою очередь, активируют макрофаги), которые запускают Т-клетки и Т-хелперы, что приводит к воспалению. Другие бактерии, археи и гельминты, напротив, регулируют Foxp3-экспрессирующие Т-регуляторные (Tregs) клетки, которые снижают уровень активных Т-хелперных клеток и тем самым оказывают более выраженное противовоспалительное действие. Насколько нам известно, о влиянии µg на эти сложные взаимодействия микроорганизмов в кишечнике и возможном воздействии на гомеостаз во время космического полета, приводящем к дисбиозу, вызывающему воспаление, пока не сообщалось.

Пробиотические организмы призваны поддерживать нормальное функционирование кишечной системы. Один из таких организмов, Lactobacillus reuteri, подвергался воздействию s-µg с помощью RWV и RPM [58]. Интересно, что два различных подхода к моделированию µg дали довольно разные результаты, что позволяет предположить, что Lactobacillus reuteri может чувствовать разницу и реагировать по-разному: с течением времени клетки на RWV имели тенденцию к повышению регуляции исследуемых генов общего стресса, в то время как клетки на RPM реагировали понижением регуляции. Примечательно, что плотность клеток в конце эксперимента существенно не различалась, а продукция антимикробного вещества реутерина была выше при обоих методах моделирования, чем в контроле 1g.

Wang et al. предположили, что дисрегуляция иммунной системы влияет на сбалансированный микробиом кишечника, приводя к переходу от здорового биома кишечника с комменсалами к больному [59].

В ходе исследования на мышах с разгрузкой задней конечности (HU) было обнаружено, что дисбиоз в микробиоме кишечника становится очевидным уже через три дня. Увеличилась доля микроорганизмов (в основном это представители родов Enterococcus, Lactobacillus, Clostridium и Faecalibacterium). Такая дисрегуляция, вероятно, вызвана клеточным стрессом, поскольку 4-фенилмасляная кислота (4-PBA), снижающая ER-стресс, оказалась противодействующей дисбиозу по сравнению с контрольными мышами [60].

Микробиом растений также подвержен влиянию µg . Имитация µg влияет на состав эндофитных бактерий [61]. Было обнаружено увеличение количества Enterobacteriaceae и Pseudomonadaceae и уменьшение Burkholderiaceae и Bacillaceae в ризосфере пшеницы. Скорее всего, это связано с изменением корневых метаболитов. Обнаружено снижение показателей углеводного обмена, биосинтеза фенилаланина, тирозина и триптофана, биосинтеза флавоноидов и биосинтеза бензоксазиноидов, а также увеличение метаболитов, входящих в состав аминокислотных метаболических путей, таких как метаболизм тирозина, цистеина и метионина, биосинтез лизина, аланина, аспартата и глутамата. Кроме того, на микробный состав влияли и изменяли его специфические существенно измененные секретируемые метаболиты, такие как D-глюкуронат, D-рибоза, арбутин, эпикатехин, индолуксусная кислота. Арбутин, D-глюкуронат, D-рибоза и эпикатехин положительно коррелируют с Burkholderiaceae и отрицательно - с Enterobacteriaceae. Экскреция гомованилиновой кислоты отрицательно коррелировала с Burkholderiaceae, а индола - с Pseudomonadacea.

Green et al. проанализировали исследования, посвященные бактериям и иммунной системе человека в условиях µg или низкой силы сдвига [62]. Космонавты подвергаются повышенному риску инфекций, поскольку часто увеличивается пролиферация, образование биопленок и экспрессия генов вирулентности бактерий (последние сообщения, например, [63,64]), а иммунная система человека в условиях космоса, в свою очередь, ослаблена [65-67]. Среди прочего были выявлены изменения в экспрессии цитокинов, влияющих на перекрестное взаимодействие между иммунными клетками, снижение распознавания патогенов и изменение состава иммунных клеток, а также снижение продукции гранзима В и перфорина [62,68]. Анализ протеома и транскриптома эпителиальных клеток человека, инфицированных Salmonella typhimurium, в ходе исследования STL-IMMUNE на борту космического корабля STS-131 выявил существенные различия между клетками, инфицированными на земле, и клетками, инфицированными в космосе [69]. Пути, обогащенные Киотской энциклопедией генов и геномов (KEGG), включали сигнализацию фактора некроза опухоли (TNF), сигнализацию ядерного фактора-kappa B (NF-κB), сигнализацию NOD-подобных рецепторов, легионеллез и др.

Микрогравитация не всегда приводит к повышению вирулентности штаммов бактерий. Например, вирулентность Yersinia pestis, подвергшейся воздействию с-µg , была снижена [70]. Многие гены, связанные с вирулентностью, такие как гены системы секреции III типа, были снижены. Мыши, зараженные при s-µg бактериями, погибали с некоторой задержкой по сравнению с мышами, зараженными контрольными бактериальными клетками, что свидетельствует о более низкой степени вирулентности. Кроме того, было обнаружено, что при s-µg снижено образование биопленок [63]. Изменение вирулентности вредных микроорганизмов представляет угрозу для космических полетов с экипажем, поскольку в условиях космического полета иммунная система человека ослабевает, а вирулентность некоторых бактерий возрастает. В недавнем исследовании микробиомы (кожи и слюны, а не биома кишечника) четырех космонавтов МКС были изучены до, во время и после пребывания на МКС [71]. Если у двух космонавтов были обнаружены явные изменения биома, то у остальных изменения микробиома были менее выражены. Однако во время полета изменился видовой состав и повысилась экспрессия генов антимикробной резистентности, но универсальной тенденции, сравнивающей всех космонавтов, выявлено не было. Кроме того, в условиях r-µg и s-µg наблюдались изменения вирулентности бактерий [72,73].

Напротив, Gilbert et al. сообщили о повышении вирулентности Serratia marcescens у Drosophila melanogaster на МКС при µg [74]. Повышение вирулентности и устойчивости к антимикробным препаратам, вероятно, связано с повышенной частотой мутаций в космосе. Listeria monocytogenes после культивирования в HARV продемонстрировала снижение вирулентности и толерантности к тепловым и кислотным условиям, в то время как холодоустойчивость была повышена [75]. Кроме того, было обнаружено снижение уровня экспрессии генов, связанных с тепловым стрессом и вирулентностью, и повышение уровня экспрессии генов, связанных с холодовым стрессом [75]. У Bacillus subtilis частота мутаций исследуемого гена устойчивости оказалась намного выше по сравнению с земными условиями [76]. Однако s-µg (по HARV) также повышала устойчивость к антибиотикам у Escherichia coli [77], передавая дополнительную устойчивость еще к четырем антибиотикам. Предполагается, что µg или космическая среда могут приводить к новым эпигенетическим изменениям, увеличению скорости мутаций и горизонтального переноса генов (HGT) [78]. Известно, что бактерии используют HGT для адаптации к неблагоприятным условиям или быстрым изменениям среды, соответственно. Увеличение HGT наблюдалось и в условиях s-µg. Urbaniak et al. обнаружили увеличение скорости HGT у совместно культивируемых штаммов Acinetobacter pittii в качестве донора к реципиентным штаммам Staphylococcus aureus при обработке HARV по сравнению с условиями 1g [79].

Недавно Sharma и Curtis [80] проанализировали зарегистрированные эффекты µg на метаболизм бактерий. Хотя были выявлены некоторые общие метаболические изменения, такие как увеличение углеводного обмена, изменения в утилизации углеродных субстратов и изменения в метаболизме аминокислот, свидетельствующие об окислительном стрессе, универсального ответа на µg не было. Авторы пришли к выводу, что в будущих исследованиях следует уделять больше внимания метаболомике бактерий, а также соответствующим изменениям под воздействием стресса, поскольку понимание причинно-следственных механизмов может привести к созданию новых ценных биотехнологических приложений. Воздействие s-µg на Vibrio fischeri вызывало увеличение высвобождения липополисахаридов и усиление продукции везикул внешней мембраны. Кроме того, нарушалась стабильность внешней мембраны, поскольку бактерии становились более чувствительными к додецилсульфату натрия (SDS) или полимиксину В. Это влияет на сигналы микроб-ассоциированных молекулярных паттернов (MAMPs) бактерий и может нарушать взаимодействие бактерий с хозяевами [81]. У некоторых микроорганизмов обнаружено образование антиоксидантов при ослаблении µg -индуцированного стресса.

Штаммы дикого типа и бесцветные штаммы Knufia chersonesos, черного гриба, обитающего в экстремальных условиях, были подвергнуты воздействию s-µg в HARVs и впоследствии проанализированы с точки зрения секретома, протеома и фенотипа. Несмотря на то, что не было обнаружено явных признаков стресса и изменений в фенотипе, были выявлены различия в модуляции секретома и протеома у двух штаммов [82].

Сравнение меланизированных и немеланизированных штаммов дрожжей Cryptococcus neoformans на МКС показало, что выживаемость меланизированных штаммов значительно выше. Являясь мощным антиоксидантом, меланин может защищать клетки от окислительного стресса, вызванного µg и космическим излучением [83]. Кроме того, для Haloarcula argentinensis было отмечено увеличение количества защитных пигментов (каротиноидов) после воздействия s-µg [84]. Обнаружено увеличение роста, споруляции и прорастания, а также уменьшение толщины биопленок у Fusarium solani, подвергнутого случайному позиционированию [85]. Сводная информация обо всех полученных результатах приведена в табл. 2.

Таблица 2. Изменения регуляции генов у микроорганизмов и животных, подвергшихся воздействию условий микрогравитации.

Vibrio fischeri, как уже упоминалось, живет в симбиозе с бобтейлом - кальмаром Eprymna scolopes, где колонизирует световые органы, служащие для ночной маскировки кальмара (табл. 2) [81]. Образование световых органов регулируется симбионт-индуцированным апоптозом. В условиях s-µg в HARVs раньше и в большей степени, чем в 1g, экспрессировались гены, связанные с экстринсивным/рецептор-опосредованным и интринсивным/стресс-индуцированным апоптозом, особенно гены инициаторной и исполнительной каспаз. Однако повышение активности каспаз можно компенсировать с помощью ингибиторов каспаз, что позволяет предложить стратегию поддержания животно-микробного гомеостаза во время космического полета.

Экспрессия генов у Caenorhabditis elegans была исследована в серии экспериментов на МКС: результаты показали снижение регуляции генов, связанных с продолжительностью жизни [96] или метаболизмом и экспрессией белков [89]. Последние результаты указывают на то, что экспрессия частично регулируется эпигенетически: у мутантов гистоновой деацетилазы (had)-4 наблюдалась избыточная экспрессия нескольких генов по сравнению с дикими типами, что свидетельствует о том, что в организме дикого типа избыточная экспрессия некоторых генов эпигенетически подавляется до степени фактической даунрегуляции, в то время как у мутанта had-4 избыточная экспрессия осуществляется беспрепятственно (табл. 2) [90].

У Caenorhabditis elegans, подвергшихся воздействию s-µg с помощью RCCS, наблюдались изменения в кишечнике [91]: под влиянием окислительного стресса изменялись как внутренний просвет, так и проницаемость, хотя ряд родственных генов был глобально повышен. Избыточная экспрессия одного из генов супероксиддисмутазы 2 (SOD2) в кишечнике эффективно защищала нематод от повреждений кишечника, вызванных µg -индуцированным окислительным стрессом. Кроме того, именно в кишечнике были обнаружены выраженные адаптации сигнального пути инсулина [92].

Влияние длительного воздействия µg на сердце исследовалось на плодовой мушке Drosophila melanogaster (табл. 2) [87]. Яйца мух доставлялись на МКС, где личинки вылуплялись и развивались во взрослых мух, после чего возвращались на землю. Сердца были меньше и слабее, что коррелировало с уменьшением экспрессии генов саркомеров и внеклеточного матрикса. Кроме того, повышение регуляции генов субъединиц протеасомы свидетельствует о повышенном протеостатическом обороте. Последующий эксперимент подтвердил повышенное количество (вероятно, дисфункциональных) протеасом.

В связи с перспективой длительных космических полетов возникают важные вопросы, касающиеся их воздействия на фертильность человека и влияния гормонального цикла на общее самочувствие. В прошлом эксперименты с самками мышей были достаточно краткосрочными или результаты их были неоднозначными, поскольку животные возвращались на землю живыми и, следовательно, испытывали стресс, связанный с входом в атмосферу и наступлением гравитации. В своем эксперименте Hong et al. впервые исследовали эстральный цикл мышей после длительного воздействия µg на МКС с последующей скарификацией животных еще на орбите [83]. У полетевших в космос мышей не было обнаружено признаков стресса и прекращения эстрального цикла (что свидетельствует о сохранении фертильности), а также не было выявлено различий в экспрессии генов ключевых ферментативных этапов стероидогенеза и экспрессии митохондриального поглощения холестерина. Авторы предлагают использовать состояние эстрального цикла в качестве ковариаты, такой же, как возраст и вес, ввиду его потенциального влияния на общее состояние подопытных животных и, следовательно, на интерпретацию экспериментальных данных.

Иммунная система мышей исследовалась с помощью системы многократных исследований искусственной гравитации (МАРС) на борту МКС [94]. В тимусах мышей, подвергшихся воздействию µg, наблюдались значительные различия в экспрессии генов по сравнению с наземным контролем и контролем на борту при 1g, что свидетельствует о том, что искусственная гравитация может частично, но не полностью смягчить неблагоприятное воздействие µg. Среди пониженных генов оказались гены, отвечающие за контроль клеточного цикла и организацию хромосом, что указывает на то, что µg приводит к уменьшению числа митотических клеток, что также отражается в меньшей массе тимуса (как абсолютной, так и по отношению к массе тела). Полученные результаты были подтверждены вторым независимым экспериментом. Анализируя селезенки и лимфатические узлы тех же животных с помощью секвенирования кДНК целых транскриптов, Horie et al. обнаружили, что под воздействием µg изменяются не только процессы, связанные с иммунитетом: различные термины онтологии генов (GO), связанные с производством эритроцитов, были снижены при µg по сравнению с наземным контролем [95]. При этом в бортовом контроле при 1g наблюдалось меньшее снижение, что говорит о том, что искусственная гравитация может смягчить лишь некоторые последствия космического полета. Дальнейший анализ показал, что экспрессия двух транскрипционных факторов (GATA1 и Tal1), которые способствуют экспрессии различных генов, контролирующих развитие эритроцитов, была снижена. Однако иммуноокрашивание селезенки не выявило существенного влияния этой регуляции на количество и распределение эритроцитов. Экспрессия генов в лимфатических узлах не подвергалась влиянию космического полета.

Экспрессия компонента комплемента С3 исследовалась у иберийских ребристых тритонов (Pleurodeles waltl), подвергшихся воздействию s-µg через RPM [97]. С3 является центральным компонентом системы комплемента, который участвует в непосредственной защите от микробов и регулирует иммунологические и воспалительные процессы. С3 также является высоко консервативным. Воздействие s-µg само по себе не изменяло экспрессию С3 у Pleurodeles waltl, однако в сочетании с другими стрессовыми факторами, связанными с космосом, наблюдалось ее снижение. Анализ мышей, подвергшихся HU, также показал, что экспрессия С3 в печени (основном источнике С3) не изменилась по сравнению с контролем [97].

Глаз, особенно сетчатка, представляет собой одну из наиболее чувствительных и критических тканей человеческого организма. Поэтому неудивительно, что у космонавтов, возвращающихся на Землю после длительного пребывания на борту МКС, развивается комплекс изменений, известный как SANS. Примечательно, что более десяти лет назад NASA сообщило, что примерно у 60% из 300 активных астронавтов наблюдались подобные нейро-офтальмологические изменения [98]. Одна из ведущих гипотез предполагает, что вызванные невесомостью сдвиги жидкости в цефалическом направлении приводят к повышению внутричерепного давления (ICP), что может влиять на наблюдаемые структурные изменения глазного дна. Однако повышенный уровень СО₂ в окружающей среде на МКС также может способствовать такому результату.

В связи с неугасающим интересом к нейро-окулярным изменениям, вызываемым µg , было начато еще большее число исследований, посвященных этой проблеме, включая механизмы, лежащие в основе SANS, и за последние пять лет было опубликовано несколько интересных работ, посвященных регуляции генов в глазу и мозге после воздействия r- и s-µg . Эти результаты, полученные на соответствующих клетках глазного происхождения и животных моделях (предпочтительно грызунах), подвергавшихся воздействию измененных гравитационных условий на Земле или в космосе, а также у космонавтов, находящихся в космосе на борту МКС, будут кратко изложены в следующих разделах и в табл. 3.

В недавней работе итальянская группа исследователей поставила перед собой задачу более детально изучить патогенез, лежащий в основе SANS. В частности, были исследованы молекулярные и клеточные эффекты, индуцированные в клетках пигментного эпителия сетчатки взрослого человека (ARPE-19) после трехдневной инкубации в µg на борту МКС [99]. На этапе µg не наблюдалось изменений жизнеспособности и апоптоза. Однако, в соответствии с предыдущими исследованиями [14], после воздействия µg было обнаружено ремоделирование цитоскелета. Примечательно, что Cialdai и соавт. обнаружили резкое изменение виментинной сети, выразившееся в перераспределении виментина с поверхности в перинуклеарные области в клетках ARPE-19, культивируемых в течение трех суток на борту МКС. Такое изменение распределения виментина может свидетельствовать об изменении формы клеток и возможностей межклеточного взаимодействия.

Дальнейший анализ показал, что в клетках ARPE-19 в условиях космического полета содержатся структуры, напоминающие аггресомы, что позволяет предположить, что µg может быть напрямую связано с изменением процессинга белков в клетках ARPE-19. Интересно, что наблюдаемые морфологические изменения в клетках ARPE-19, культивируемых на борту МКС, были связаны со значительными изменениями транскриптомного профиля. Из 23 556 проанализированных генов более 5 500 были дифференциально экспрессированы после космического полета по сравнению с наземным контролем (табл. 3). Прогностический анализ показал, что среда МКС существенно влияет примерно на 100 путей, из которых наиболее значимые связаны с клеточным ответом на адаптацию/повреждение в космической среде [99]. Анализ генной онтологии (GO) показал, что инкубация клеток ARPE-19 при r-µg оказывает влияние на несколько критических клеточных механизмов, включая реакцию на разворачивание белков и связывание ионов, что соответствует адаптации к клеточной дисфункции (табл. 3) [99].

В исследовании также была предпринята попытка оценить количество активных микро (mi)РНК и разрегулированных длинных не-кодирующих (lnc)РНК [99]. Из 366 проверенных миРНК 19 показали дифференциальное подавление генов-мишеней. Более 250 lncRNA были дерегулированы в клетках ARPE-19, культивируемых на борту МКС (табл. 3). Наконец, Cialdai и соавт. исследовали роль воздействия коэнзима Q10 (CoQ10) на экспрессию генов в клетках ARPE-19 [99]. CoQ10 - известный антиоксидант, обладающий анти-апоптотическими свойствами. В клетках, обработанных CoQ10 и инкубированных на борту МКС, было выявлено 153 дифференциально экспрессированных гена ( DEGs) по сравнению с необработанным контролем. Интересно отметить, что 22 пути были существенно затронуты, включая дерегуляцию процессинга белков в эндоплазматическом ретикулуме, митофагию, передачу сигналов TGF-beta, Hippo сигнализацию, p53 сигнализацию и путь старения, что ясно указывает на необходимость дальнейшего изучения мер противодействия SANS на основе CoQ10 (табл. 3) [99].

Полет в космос для проведения биологических экспериментов на МКС - дорогостоящий и трудоемкий процесс, а значит, малодоступный для широкого круга исследователей, занимающихся µg-исследованиями и космической медициной. Для развития биомедицинских исследований физиологических эффектов космической среды NASA в 2014 году запустило проект по изучению грызунов (RR). Таким образом, на платформе NASA GeneLab, где хранятся ткани, полученные в ходе космического полета RR-1, можно получить образцы ДНК, РНК и белков для эпигеномного, транскриптомного и протеомного анализа [100]. Таким образом, распространение этих данных без ограничений для научного сообщества может стать важным ресурсом для проведения мультиомических исследований. Несмотря на ограниченность ресурсов для проведения биологических экспериментов в космосе, к счастью, ежегодно на борту МКС проводится несколько исследований на животных. Например, в отношении воздействия µg на глаз и мозг в течение 2017-2022 гг. было опубликовано четыре различных исследования на мышах, запущенных из Космического центра Кеннеди (KSC) на трех отдельных ракетах SpaceX (SpaceX-4, 9 и 12) на МКС для 35- или 37-суточных миссий (табл. 3).

Table 3. Changes in gene regulation of (i) eye-related cells subjected to r-µg, (ii) eye tissue isolated from animals exposed to microgravity conditions, or (iii) healthy human volunteers exposed to head-down tilt.

В первой работе, выполненной под руководством Xiao Mao [101], изучалось влияние космического полета и искусственной гравитации на сетчатку глаза мыши. Сначала были изучены изменения профилей экспрессии белков и апоптоза, связанного с окислительным стрессом, у девятинедельных мышей-самцов C57BL/6 после 35-дневного пребывания на МКС. Мыши были запущены на МКС на корабле SpaceX-9 с космодрома KSC в 2016 году. Одна группа мышей, участвовавших в космическом полете, содержалась в условиях µg , а другая - в центробежной установке, обеспечивающей искусственные условия в 1g [101]. Количественный анализ тканей глаза, основанный на мечении никелевого конца терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы (TUNEL), показал, что µg достоверно индуцирует апоптоз (до 64%) в эндотелиальных клетках сосудов сетчатки (VEC) по сравнению с группой наземного контроля. Проведенный далее протеомный анализ показал, что ряд путей, участвующих в воспалении, восстановлении клеток, их гибели и метаболическом стрессе, значительно изменялся у мышей, совершивших космический полет, по сравнению с наземным контролем (табл. 3).

Кроме того, значительные изменения в экспрессии регулируемых белков наблюдались в группе µg по сравнению с группой искусственного 1g на борту МКС. Авторы пришли к выводу, что космический полет вызывает апоптоз VEC и изменения в экспрессии белков сетчатки, связанных с иммунным ответом, метаболической функцией и клеточной структурой. Примечательно, что искусственная гравитация, создаваемая на МКС, может смягчить некоторые изменения, вызываемые µg [101].

Последующее исследование, также выполненное Мао и соавторами [102], было направлено на изучение влияния космического полета и возвращения в атмосферу с ускорением 1g на целостность и структуру сетчатки и гемато-ретинального барьера (BRB) глаза. Десятинедельные мыши-самцы были запущены на МКС на корабле SpaceX-12 с KSC в 2017 году. После 35-дневного космического полета животные были возвращены живыми на Землю, и была проведена оценка изменений профилей экспрессии белков. В подтверждение предыдущих результатов, полученных исследовательской группой, был отмечен значительный апоптоз в сетчатке и клетках сосудов сетчатки по сравнению с контрольными группами. В исследовании также представлены убедительные доказательства того, что космический полет влияет на целостность BRB [102]. Это представление основано прежде всего на результатах, свидетельствующих об увеличении экспрессии аквапорина-4 (AQP4) и молекулы адгезии тромбоцитарно-эндотелиальных клеток-1 (PECAM-1) в группе мышей, перенесших космический полет, по сравнению с контрольной группой (табл. 3). Кроме того, наблюдалось снижение экспрессии связанного с BRB белка плотных соединений - Zonula occludens-1 (ZO-1). Учитывая, что BRB нарушается в результате космического полета, удивительно, что внутриглазное давление (IOP) при послеполетном измерении оказалось значительно ниже, чем при предполетном, а не наоборот [102]. Авторы приводят несколько возможных объяснений этого несоответствия, включая предположение о том, что 35-дневного полета может быть недостаточно, чтобы вызвать повышение IOP, или ограничение использования мышей для изучения влияния космического полета на функции человека из-за отсутствия смещения жидкости в цефалическом направлении [102].

Как и в предыдущем исследовании, проведенном Mao et al. [101], данные протеомики показали, что ряд путей, участвующих, например, в воспалении, клеточной гибели и метаболическом стрессе, был значительно изменен в условиях космического полета по сравнению с контрольной группой (табл. 3). Однако наблюдалось ограниченное совпадение значимых дифференцирующих белков и путей между полетами 2016 и 2017 годов, что, возможно, отражает различия в составе исследуемых образцов глаз.

В третьем исследовании на животных, посвященном µg , Overbey и соавт. продолжили работу по изучению того, провоцирует ли космическая среда окислительное повреждение глазных структур, и дальнейшей характеристике профилей экспрессии генов в сетчатке мыши, подвергшейся воздействию р-µg во время 35-дневного полета на МКС [103]. Как и в предыдущей работе, десятинедельные мыши-самцы, использованные в данном исследовании, были запущены на МКС на корабле SpaceX-12 с KSC в 2017 г. и вернулись на Землю живыми. В результате секвенирования РНК выделенных глазных тканей в сетчатке мышей, летевших на борту МКС, было обнаружено 600 DEGs (табл. 3). В группе DEGs оказались гены, связанные с фототрансдукционным путем и зрительным восприятием. Авторы также попытались определить, экспрессируются ли какие-либо DEGs из выборки космических полетов при распространенных заболеваниях сетчатки. Интересно, что из 75 генов, связанных с пигментным ретинитом, 12 были дифференциально экспрессированы в сетчатке мышиного космического полета. При диабетической ретинопатии дифференциально экспрессировался только один ген, в то время как гены, связанные с болезнью отслоения сетчатки и возрастной макулярной дегенерацией (AMD), не были дифференциально регулируемыми (табл. 3) [103].

Также была обнаружена дифференциальная экспрессия ряда транскрипционных факторов, включая Cazs1, Kdm4a, Kdm4b и Kdm6b, что свидетельствует о том, что космический полет изменяет организацию хроматина (табл. 3). Наконец, микротомография и иммунофлуоресцентный анализ показали, что космический полет уменьшает толщину нескольких слоев и усиливает окислительный стресс. Эти результаты позволяют предположить, что функционирование сетчатки может быть нарушено в результате длительного воздействия µg , что приведет к ее повреждению [103].

Наконец, Chen и соавт. исследовали воздействие р-µg на 16-недельных мышей-самок C57BL/6J, доставленных на МКС на корабле SpaceX-4 в 2014 г. для 37-дневного космического полета [104]. Основной целью исследования было выяснить, запускает ли космический полет эпигеномное и транскриптомное перепрограммирование в сетчатке глаза. Во-вторых, изучалось, изменяет ли пониженная гравитация эпигенетические часы. В этом исследовании образцы сетчатки были собраны на орбите и заморожены для последующего анализа. После тщательного секционирования сетчатки выделяли ДНК и РНК, а метилом и транскриптом ДНК анализировали методом глубокого секвенирования. В целом космический полет индуцировал дифференциальное метилирование многих генов, но при этом было выявлено меньшее количество DEG (табл. 3). Тот факт, что несколько генов, вовлеченных в воспаление, окислительный стресс, ремоделирование тканей, функционирование митохондрий и ангиогенез, подверглись воздействию µg , говорит о том, что гомеостаз клеток сетчатки был нарушен во время космического полета. Полученные данные также свидетельствуют о том, что пути, вовлеченные в развитие заболеваний сетчатки, таких как макулярная дегенерация, были существенно затронуты [104]. Однако, с другой стороны, результаты показали, что пониженная гравитация замедляет ход эпигенетических часов в сетчатке мыши, что означает, что мыши на борту МКС имеют более молодой биологический возраст по сравнению с мышами, живущими на Земле. Таким образом, данное исследование является первым, в котором изучалось влияние космического полета как на метилом ДНК, так и на транскриптом в тканях сетчатки мыши [104].

Наконец, в одной из недавних работ изучался эффект ингибирования трех связанных с космическим полетом миРНК с помощью ингибиторов малых молекул (антагомиров (Ag)) у мышей перед воздействием моделируемых условий космического полета (µg и излучения) [105]. Для имитации µg использовалась разгрузка задних конечностей, а мыши, обработанные Ag, получали Ag каждые три дня. Всего было выявлено 13 генов-мишеней трех миРНК. Однако обработка глаз Ag изменяла экспрессию только одного гена (Zcchc9) (табл. 3). Ингибирование миРНК в доклинической модели имитации космического полета может послужить основой для анализа ингибирования биологических нарушений [105].

Laurie и соавт. для оценки возможных механизмов глазных изменений применили эквивалент космического полета - наклон головы вниз (HDT) на 6° [106]. Эксперимент проводился на восьми испытуемых-мужчинах, подвергавшихся воздействию трех режимов в течение 1 ч (сидя, HDT и HDT с 1%-ной инспирацией CO₂ (HDT + CO²)). Выполнялись различные методы, включая УЗИ головного мозга и глазного дна, оптическую когерентную томографию (OCT) макулы и диска зрительного нерва, измерение внутриглазного давления (IOP), неинвазивного внутричерепного давления (nICP) и трансламинарной разницы давления (TLPD = IOP- ICP). Авторы обнаружили увеличение IOP, диаметра оболочки зрительного нерва и толщины хориоида при остром смещении жидкости в сторону головы. Таким образом, полученные результаты могут свидетельствовать о том, что воздействие острой умеренной гиперкапнии во время HDT не привело к увеличению физиологических факторов, предположительно участвующих в глазных изменениях во время космического полета. Более того, сочетание HDT с уровнем CO₂, в два раза превышающим таковой на МКС, не вызвало структурных и функциональных изменений в глазу. Анализ полиморфизмов одноуглеродного пути в MTRR и SHMT1 не выявил значимых изменений, что, вероятно, связано с малым количеством испытуемых в группах (табл. 3).

В недавней работе Zwart и соавт. [107] проведено дальнейшее изучение генетики одноуглеродного пути в когортном исследовании 11 здоровых добровольцев (5 женщин и 6 мужчин). В работе анализировалось, связаны ли полиморфизмы одноуглеродного метаболического пути с развитием отека диска зрительного нерва во время отдыха в положении лежа с наклоном головы вниз и воздействием CO₂. Интересно, было показано, что большее количество аллелей MTRR 66G и SHMT1 1420C ассоциировано с большим увеличением общей толщины сетчатки за 30 дней постельного режима с наклоном головы вниз под углом 6° и воздействием 0,5% CO₂ (табл. 3). Этому способствовал В-витаминный статус. Таким образом, эти интересные результаты могут сыграть важную роль в понимании вариабельности размеров отека диска зрительного нерва, выявляемого в ходе исследований постельного режима и космических полетов, и тем самым способствовать разработке мер противодействия [107].

Космонавты, возвращающиеся из космоса, часто страдают от дисфункции эндотелия. В связи с этим изучение эндотелиальных клеток (ECs) при µg стало одним из центральных направлений гравитационных исследований. Являясь механо-чувствительными клетками, ECs претерпевают морфологические и функциональные изменения при воздействии µg .

Barravecchia et al. [108] провели высокопроизводительное секвенирование РНК ECs микрососудов человека для выявления геномных эффектов µg во время полета ENDO к МКС в 2015 году. Было обнаружено, что 32 набора генов из коллекции Hallmark были дерегулированы под воздействием µg (19 повышены и 12 понижены), активируя пути метаболизма и пропролиферативный фенотип. Транскриптомика также продемонстрировала противоположные эффекты µg и космической радиации.

Проект SPHINX показал, что TXNIP является наиболее избыточно экспрессируемым транскриптом в ECs после космического полета [109]. Cazzaniga et al. [110] продемонстрировали избыточную экспрессию TXNIP в эндотелиальных клетках пупочной вены человека (HUVECs) после 10 дней пребывания на RWV, тогда как через 4 дня модуляции TXNIP не было обнаружено. Авторы также обнаружили временное повышение уровня HSPA1A (HSP70) в HUVECs после четырех дней пребывания на RWV, после чего он вернулся к исходному уровню через 10 дней [110]. Выявление генов, чувствительных к гравитации, в HUVECs с помощью мета-анализа, проведенного Liang et al. [111], показало, что уровень экспрессии гена транспортера простагландинов SLCO2A1 снижается в ответ на µg .

Li et al. [112] в своих исследованиях аутофагии на HUVECs в условиях µg сообщили, что не было существенной разницы в транскрипции TP53 между группой с µg и контрольной группой. Напротив, clinorotation снижала уровень белка р53 в HUVECs, что позволяет предположить влияние клиноротации на пост-транскрипционные модификации р53.

Другим важнейшим направлением исследований в молекулярной биологии клетки в последние годы являются микроРНК. Используя RWV, Pan et al. [113] впервые продемонстрировали, что s-µg может изменять экспрессию некоторых микроРНК в HUVECs. Кроме того, они отметили, что miR-27b-5p может защищать HUVEC от апоптоза на RWV, нацеливаясь на белок цинковых пальцев и гомеобоксов 1 (ZHX1). Xu et al. [114] опубликовали данные о том, что уровень miR-22 повышался, а его генов-мишеней SRF и LAMC1 понижались на уровне мРНК в HUVECs, подвергшихся воздействию RCCS. Кроме того, Kasiviswanathan et al. [115] проанализировали интерактом миРНК HUVECs, культивируемых на клиностате. Они сообщили, что миРНК miR-496, miR-151a, miR-296-3p, miR-148a, miR-365b-5p, miR-3687, miR-454, miR-155-5p и miR-145-5p эффективно влияют на пролиферацию клеток и сосудистые функции HUVECs при с-µg .

Zhao et al. [116] впервые исследовали апоптоз ECs хороидальных сосудов (CVECs) в s-µg на RCCS Они обнаружили, что экспрессия BAX, CASP3 и CYP2D6 значительно увеличивается через 24 и 72 ч в µg , в то время как экспрессия анти-апоптотического BCL2 снижается.

Dittrich et al. [117] использовали иммортализованные сосудистые ECs человека (EA.hy926) для долгосрочных исследований формирования трубок на RPM. Через 35 дней они наблюдали повышение уровня CXCL8 и FN1 в сфероидах, образовавшихся при случайном позиционировании. Кроме того, используя ту же клеточную линию, Krüger et al. [118] показали, что ряд генов (TIMP1, IL6, CXCL8, CCL2, B2M) дифференциально регулируется в популяциях адгезивных и сфероидных клеток после 7 и 14 дней пребывания с-µg при RPM. В то время как большинство изученных генов снижалось в адгезивных клетках, некоторые из них повышались или не регулировались в сфероидных клетках. Li et al. [119] культивировали клетки EA.hy926 на борту сателлита SJ-10 в течение 10 дней, после чего проводили РНК-профилирование супернатантов, полученных из экзосом. В экзосомах клеток EA.hy926, культивированных в космосе, по сравнению с наземными, наиболее часто повышался уровень белок-кодирующих генов ACTB, PGK1, HSPA8, RPL7A и FTH1.

Kong et al. [120] использовали эндотелиальные клетки предшественники периферической крови человека, подвергнутые воздействию нового устройства Gravite® для имитации µg . После 12- и 24-часового воздействия устройства Gravite® было отмечено увеличение экспрессии ангиогенных генов HIF1A и NOS3. После этого уровень экспрессии HIF1A и NOS3 с течением времени снижался.

В недавней работе Zhao и соавт. показали влияние s-µg на апоптоз CVECs, тем самым добавив эти клетки к растущему списку эндотелиальных клеток микрососудов, демонстрирующих изменения в экспрессии генов после инкубации в условиях µg [116]. VECs играют фундаментальную роль в гомеостазе тканей, организуя сосуды и циркуляцию крови [121]. В частности, в предыдущих исследованиях было высказано предположение, что дисфункция VECs может объяснять сердечно-сосудистую недостаточность, наблюдаемую у космонавтов, подвергшихся воздействию µg [116]. Эту идею подтверждает ряд экспериментов, показавших, что воздействие s-µg влияет на критические клеточные структуры, включая цитоскелет и гомеостаз митохондрий, а также на экспрессию генов, влияющих на клеточные функции, такие как апоптоз [122-127]. Выводы, сделанные на основании этих данных, можно кратко сформулировать так: VECs могут воспринимать уменьшение силы гравитации, вызывая тем самым изменения цитоскелета, что через активацию так называемых вторичных мессенджеров приводит к различным генным реакциям, которые в конечном итоге могут запустить апоптоз [116].

Чтобы выяснить, воспринимают ли CVEC таким же образом гравитационные изменения, человеческие CVEC подвергались воздействию s-µg с использованием RCCS в течение трех дней. После культивирования в условиях s-µg наблюдалось заметное снижение содержания F-актина и редкий или прерывистый вид филамент. Примечательно, что проточная цитометрия показала увеличение числа апоптотических CVEC в группе s-µg по сравнению с группой 1g [116]. Одновременно были изменены уровни мРНК и белков каспазы3, bax, цитохрома С, p-AKT, p-PI3K и Bcl2, что свидетельствует об участии пути апоптоза Bcl-2 и PI3K/AKT в µg -индуцированном повреждении CVECs. Кроме того, эти изменения сопровождались ультраструктурными изменениями, включая конденсацию хроматина, вакуолизацию митохондрий, уменьшение размеров тела клетки и появление апоптотических телец [116]. Поскольку дисфункция CVECs связана с утолщением хороидальной оболочки, что может влиять на внутриглазное давление и зрительные функции, результаты исследования Zhao и соавт. могут дать дополнительные знания о глубинных механизмах µg -индуцированных изменений в глазах космических путешественников и, что особенно важно, способствовать разработке мер противодействия [116]. Обзор всех результатов представлен в табл. 4.

Таблица 4. Изменения генной регуляции эндотелиальных клеток, подвергшихся воздействию условий микрогравитации.

У космических экипажей во время и после космических полетов наблюдаются различные иммунологические изменения [2].

Прошло почти 40 лет с тех пор, как Augusto Cogoli показал, что космический полет снижает реактивность лимфоцитов на митогены. Культуры лимфоцитов, очищенные из образцов крови, взятых у членов экипажа до и после полета, подвергались воздействию митогенов. Активацию определяли по включению меченого тимидина или уридина в ДНК или РНК, соответственно. Всего было протестировано 41 космонавт и 12 астронавтов. Эти данные были опубликованы в работах [128,129]. Эта тема была предметом исследований авторов во время полета Spacelab 1 с 28 ноября по 8 декабря 1983 года [128].

Дисрегуляция иммунной системы, связанная с космическим полетом, является серьезной проблемой для здоровья человека в космосе и негативно сказывается на дальнейшем освоении Луны, Марса и космического пространства. Космические путешественники сталкиваются с различными формами стресса, влияющими на их иммунную систему. В работе, опубликованной в январе 2023 г., показано, что воздействие RPM изменяет сигнальный путь Nuclear Factor κB и влияет на мышиные дендритные клетки (DCs) и их функции [130]. DCs селезенки или Flt-3L-дифференцированные DCs костного мозга (BMDCs) подвергались воздействию RPM. S-µg уменьшал изменения фенотипа активации/созревания BM-конвенциональных DCs (cDCs), а также селезеночных cDC [130]. При воздействии RPM на BMDCs снижалась продукция про-воспалительных цитокинов. Авторы показали, что незрелые BMDCs, подвергшиеся воздействию RPM, демонстрировали более незрелый фенотип по сравнению с контрольными BMDCs. Эти данные коррелируют с нарушением способности BMDCs экспрессировать транскрипты про-воспалительных цитокинов, как показано на рис. 3А в [130]. Вероятно, дерегуляция функции DCs ответственна за возникновение иммунной дерегуляции во время космического полета [130].

В недавнем исследовании изучалась бесклеточная митохондриальная ДНК (cf-mtDNA) в плазме крови 14 космонавтов [131]. Анализ экспрессии генов в мононуклеарных клетках периферической крови (peripheral blood mononuclear cells (PBMC)) показал значительное повышение уровня маркеров воспаления, окислительного стресса и повреждения ДНК, что подтверждает гипотезу о том, что количество бесклеточной митохондриальной ДНК может являться биомаркером стресса или иммунного ответа в связи с космическим полетом [131].

Освоение дальнего космоса требует дальнейших исследований для прогнозирования рисков для здоровья космонавтов [132]. Применяя глубокое целевое секвенирование ДНК с коррекцией ошибок, Brojakowska et al. [132] исследовали соматические мутации в генах-драйверах clonal hematopoiesis (CH) в PBMC, выделенных из деидентифицированных образцов крови 14 астронавтов космического корабля Space Shuttle. Они обнаружили 34 несинонимичные мутации в 17 CH генах-драйверах, причем наиболее распространенными оказались мутации в TP53 и DNMT3A. Поэтому необходимы дальнейшие ретроспективные и проспективные исследования их клинической значимости [132].

Ранее в исследовании NASA Twins было выявлено значительное увеличение доли cf-mtDNA при полете и анализе послеполетных экзосом [133]. Эти данные позволили предположить, что уровень cf-mtDNA может быть потенциальным биомаркером стресса или реакции иммунной системы, связанной с условиями космического полета [133]. Кроме того, повторный анализ данных о приземлении в исследовании Twins выявил признаки регенерации мышц, а не пагубной воспалительной реакции [134]. Дальнейший анализ данных NASA Twins также включал специфические аналиты (определенные элементы), связанные с метаболизмом жирных кислот [135]. Это исследование показало, что клеточный липидный метаболизм может быть чувствительным и динамичным в отношении космического полета. Кроме того, в ходе исследования были выявлены скачки экспрессии отдельных генов в середине полета, что свидетельствует о преходящих реакциях на специфические раздражители во время пребывания летчика на МКС [135].

Т-клетки Jurkat человека очень быстро реагируют и адаптируются к измененным гравитационным условиям. Дифференциально экспрессируемые кластеры транскриптов (ТК) генов в Т-клетках Jurkat при µg , полученных в результате полета суборбитальной баллистической ракеты, сравнивались с ТК, экспрессируемыми в ответ на двумерное клиноротирование, а также на эксперименты в центрифуге с ускорением 9х g и строгим контролем для исключения других факторов влияния, кроме гравитации [136]. В течение 5 мин полета, вызванного µg или клиноротацией, 11 ТК были значительно изменены. Был сделан вывод о том, что менее 1% всех исследованных ТК демонстрируют одинаковый ответ при двумерной клиноротации и µg , вызванном полетом. Напротив, 38% дифференциально регулируемых ТК, выявленных на этапе гипергравитации во время суборбитального полета баллистической ракеты, могли быть верифицированы с помощью наземного центрифугирования при 9х g. Таким образом, очевидно, что для первоначального запуска ответа экспрессии генов на µg требуется время реакции менее 1 с [136].

Кроме того, данные параболического полета и полета ракеты TEXUS показали, что индуцируемый гипоксией фактор 1 (HIF-1) и HIF-1-зависимые транскрипты дифференциально экспрессируются в условиях измененной гравитации [137]. Экспрессия HIF-1-зависимых генов была адаптирована после 5 мин р-ции. Обнаружено, что PDK1 высоко реагирует на гравитационные изменения в миеломоноцитарных клетках человека U937 и Т-клетках Jurkat. Таргетинг HIF-1 может стать эффективной контрмерой для предотвращения ослабления иммунной системы во время космического полета [137]. В другом исследовании измеряли экспрессию генов и трехмерные конформационные изменения хромосом в Т-клетках Jurkat человека во время параболических маневров полета и суборбитального полета баллистической ракеты [138]. Авторы предполагают, что гравитационные силы быстро воздействуют на клеточную мембрану и механически передаются через цитоскелет в ядро. Это приводит к трехмерным конформационным изменениям хромосом, в результате чего возникает регионально-специфическая дифференциальная экспрессия генов [138]. При использовании тех же возможностей полета экспрессия путей, связанных с окислительным стрессом, в миеломоноцитарных клетках человека U937 была быстрой и сильной, но за ней последовала быстрая и сильная контррегуляция. Интересно, что в Т-клетках Jurkat человека гены, связанные с окислительным стрессом, не претерпели существенных изменений [139].

Т-лимфоцитарные клетки человека Jurkat изучались во время параболического полета и полета с использованием ракеты-носителя Technologische EXperimente Unter Schwerelosigkeit (TEXUS) [140]. Используя Affymetrix GeneChip® Human Transcriptome Array 2.0, авторы обнаружили обширные и быстрые изменения в экспрессии генов, связанные с регуляторными РНК. Авторы пришли к выводу, что клетки человека обладают надежным и эффективным адаптационным потенциалом при воздействии на них измененных гравитационных условий [140].

В недавнем исследовании было показано, что r-µg (космический полет) и s-µg значительно снижают количество и дифференцировку макрофагов и вызывают метаболическое перепрограммирование с изменением профилей экспрессии генов [67]. Кроме того, в качестве значимого пути, регулируемого µg , был обнаружен крысиной саркомы (RAS)/экстрацеллюлярной сигнал-регулируемой киназы (ERK)/NFκB. Это также относится и к пути p53. Эти результаты позволяют предположить новые молекулярные мишени для предотвращения дефицита дифференцировки макрофагов при µg [67].

В исследовании на мышах in vivo было изучено влияние космического полета (проект МКС, 35 сут на орбите) на вторичные лимфоидные органы на молекулярном уровне [95]. Анализ полнотранскриптного секвенирования кДНК (RNA-Seq) селезенки показал, что гены, связанные с эритроцитами и регулируемые GATA1, были значительно снижены у мышей, летавших на МКС, по сравнению с наземным контролем. Кроме того, была снижена экспрессия мРНК GATA1 и Tal1. Эти снижения не были полностью компенсированы воздействием 1g на МКС, что свидетельствует о том, что комбинированное воздействие космической среды, помимо µg, может изменять экспрессию генов в селезенке. В этом же исследовании было показано, что уникальная среда МКС влияет на гомеостатическую экспрессию генов селезенки у мышей [95].

Самки мышей C57BL/6J полетели на STS-135 в июле 2011 г. в составе полезной нагрузки Коммерческого биомедицинского испытательного модуля-3 (CBTM-3) [141]. Несмотря на уменьшение количества лейкоцитов в селезеночной ткани, было отмечено повышение активности реактивных форм кислорода (ROS). Функциональный анализ экспрессии генов и метаболомных профилей показал, что функциональные изменения не связаны с окислительным или психологическим стрессом. Не было обнаружено соответствующего увеличения генов, связанных с метаболизмом ROS. Повышение экспрессии профилей, связанных с окислением жирных кислот, сопровождалось снижением профилей, связанных с гликолизом. Эти результаты позволяют предположить связь между иммунной функцией и метаболизмом в условиях космического полета [141].

Для подготовки к будущим экспериментам в космических полетах и подтверждения результатов, полученных с помощью р-µg, были проведены исследования в условиях s-µg, чтобы расширить имеющиеся знания о геномных изменениях иммунной системы в условиях µg in vitro и in vivo.

В недавнем биоинформационном исследовании изучалось, как s-µg, созданный с помощью RPM, влияет на циркулирующие и тканевые резидентные Т-клетки [142]. 3D-культура клеток ослабляет влияние воздействия RPM на транскриптомы и ядерные изменения Т-клеток по сравнению с 2D-культурой клеток [142]. Это исследование является первым, в котором были применены 3D-модели под действием s-µg, показавшие, что Т-клетки, обитающие в тканях, подвергаются меньшему воздействию RPM, чем циркулирующие Т-клетки на периферии.

Другое исследование было посвящено изучению влияния клиноротации на фенотипы макрофагов M0, M1 и M2 [143]. Показано, что µg приводит к снижению экспрессии TNF-α и увеличению экспрессии IL-12 и VEGF. IL-10 также значительно повышался в макрофагах М1 и М2, но не М0. Эти данные дают новые знания о фенотипической функции макрофагов при µg [143].

Spatz et al. [144] сообщили о результатах исследования PBMCs, подвергнутых воздействию RVW. Высокопараметрическая масс-цитометрия показала, что воздействие RVW на PBMCs приводит к подавлению важных эффекторных функций клеток врожденного и адаптивного иммунитета. Обнаружено увеличение супрессивной функции иммунных клеток. Воздействие RVW на PBMC приводит к многоклеточному иммуносупрессивному ответу, который может способствовать нарушению работы иммунной системы и защиты от патогенов [144]. В другом исследовании изучались транскрипционные и пост-транскрипционные регуляции на основе профилей экспрессии генов и миРНК в лимфоцитах периферической крови человека, подвергшихся воздействию RVW [145]. При s-µg было выявлено двести тридцать дизрегуляторных TF-miRNA (transcription factor and microRNA) feed-forward loops (FFLs). Сообщалось о связи воздействия RVW с нарушениями функций многокомпонентных систем и опухолевым генезом [145].

Применение технологии радиоэлектрического асимметричного конвейера (REAC) является новым подходом к противодействию потере активности Т-клеток [146]. Облучение RPM и обработка REAC подтвердили восстановление активации Т-клеток и улучшили экспрессию генов IL2 и IL2Rα Кроме того, есть данные о том, что технология REAC может способствовать пониманию реакции Т-клеток на рост в космосе [146].

Адренергический рецептор является важнейшим регулятором иммунной системы. Влияние µg на адренергическую систему пока не изучено [147]. Авторы изучали синергизм воздействия изопротеренола, радиации и RVW на не-стимулированные PBMCs. Результаты показали значительное синергическое влияние на экспрессию гена β2-адренергического рецептора (ADRB2). Только радиация увеличивала экспрессию ADRB2, а клетки, инкубированные при µg , имели больше разрывов нитей ДНК, чем клетки, инкубированные в условиях нормальной тяжести. Изопротеренол предотвращал большинство эффектов, опосредованных µg [147].

Paul et al. [148] использовали модель in vivo для имитации космического полета (мыши, 21 день, разгрузка задних конечностей (HLU) в сочетании с непрерывным низкодозовым гамма-облучением) для изучения иммунной и гематологической систем в течение 7 дней после облучения. Помимо прочего, селезенки были проанализированы методом полнотранскриптомного дробового секвенирования (РНК-секвенирования). Сети Murine Reactome показали, что в большинстве клеток селезенки присутствуют DEG, участвующие в трансдукции сигналов, метаболизме, клеточном цикле, организации хроматина и репарации ДНК. Анализ DEGs в селезенке выявил профили экспрессии, связанные с воспалением и дисрегуляцией иммунной функции, сохраняющиеся до 1 недели после имитации космического полета. Эта работа показала дифференциальные иммунные и гематологические результаты через 7 дней после облучения [148].

Наконец, Zhu et al. [149] представили наземную модель заболевания рыбок данио при µg с использованием RCCS. Анализ РНК-секвенирования показал, что с-µg существенно влияет на сигнальные пути ретиноевой кислотой-индуцибельного гена (RIG)-I-подобного рецептора (RLR) и Toll-подобного рецептора (TLR). Симуляция µg препятствовала TRIM25-опосредованному K63-связанному убиквитинированию RIG-I и ослабляла противовирусные реакции врожденного иммунитета. Петля положительной обратной связи "функция TRIM25 - индукция" имеет важное значение для противовирусного иммунитета, а снижение экспрессии TRIM25 под действием s-µg нарушает эту петлю обратной связи. Эта модель улучшает существующие знания о противовирусном иммунитете хозяина при s-µg [149]. Обзор всех результатов приведен в табл. 5.

Table 5. Changes in gene regulation of immune system components exposed to microgravity conditions.

Единственное исследование, проведенное при r-µg во время космического полета, было выполнено Fitzgerald et al [150] (табл. 6). Авторы подвергали мышей 30-суточному воздействию µg на борту капсулы BION-M1 и затем анализировали образцы суставного и стернального хрящей на предмет изменения экспрессии генов. В суставном хряще было обнаружено 47 дифференциально экспрессированных генов (10 повышены, 37 понижены) более чем в 2 раза, 17 из которых кодировали белки, участвующие в структурной ECM хряща или патологии суставов. В хряще грудины по сравнению с основным контролем было обнаружено 30 генов с повышенной и 35 генов с пониженной экспрессией. Интересно, что дифференциально экспрессируемые гены в обеих хрящевых тканях регулировались в противоположных направлениях. Авторы предположили, что это может быть связано с различиями в биомеханической среде двух образцов [150].

Таблица 6. Изменения регуляции генов хряща, подвергшегося воздействию условий микрогравитации.

Другие исследования проводились в условиях s-µg на таких устройствах, как RCCS или RPM. Ма и др. [151] впервые создали искусственные ткани мениска, посеяв фиброхондроциты мениска от женщин и мужчин-доноров на цилиндрический коллагеновый каркас 1-го типа и инкубировав их в течение двух недель в хондрогенной среде, богатой TGF-b3. Затем полученные модели менисков культивировали либо как статические контрольные образцы, либо на RCCS с медленно вращающимися латеральными сосудами в течение трех недель. После этого образцы подвергались РНК-секвенированию и количественной полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (qRT-PCR). Полученные данные были стратифицированы в зависимости от уровня экспрессии COL10A1. Женщин-доноров можно было разделить на низко- и высоко-чувствительных, в то время как мужчины-доноры остались в одной группе. Примечательно, что гены, связанные с остеоартрозом (BMP8A, CD36, COL10A1, COL9A3, FGF1, IBSP, IHH, MMP10, PHOSPHO1, S100A1 и SPP1), были значительно повышены только в группе женщин с высоким уровнем ответа, но не в двух других [151].

Дальнейший анализ тех же образцов показал, что ответ на механическую нагрузку и разгрузку происходит в зависимости от пола (табл. 6) [152]. В общей сложности 93 регулируемых гена были уникальны для мужчин, 163 - для женщин, а 94 гена регулировались у обоих полов. При этом у мужчин и женщин наиболее обогащенным KEGG-путем была передача сигналов HIF; у женщин за ним следовали гликолиз/глюконеогенез, биосинтез аминокислот углеродного обмена и биосинтез стероидов. У мужчин первую пятерку KEGG-обогащенных путей завершали ферроптоз, транскрипционная дисрегуляция при раке, сигнальный путь VEGF и гликолиз/глюконеогенез. Авторы предположили, что эти результаты могут иметь отношение к возможным мишеням для новых лекарств против остеоартроза [152].

На RPM уровни экспрессии генов механочувствительного ионного канала TRPC1 были снижены в 5-10 раз в адгерентных и суспензионных культурах бычьих хондроцитов. Кроме того, авторы показали, что экспрессия гена TRPV4 снижается по мере прогрессирования де-дифференцировки, что указывает на его важную роль в поддержании фенотипа хондроцитов [153].

Анализ экспрессии генов в суставных хондроцитах человека, подвергнутых воздействию RPM в течение 24 ч, показал значительное повышение уровня IL6, RUNX2, RUNX3, SPP1, SOX6, SOX9 и MMP13. В то же время уровни IL8, ACAN, PRG4, ITGB1, TGFB1, COL1A1, COL2A1, COL10A1, SOD3, SOX5, MMP1 и MMP2 оставались неизменными, что свидетельствует о том, что хондроциты испытывали стресс, о чем свидетельствует экспрессия маркеров остеоартроза и повреждения хряща [154]. Обобщение всех полученных результатов представлено в табл. 6 .

Транскриптомные изменения в мышечной ткани изучались у мышей, совершивших космический полет. Было показано, что 9-недельные космические полеты на МКС вызывают дифференциальную экспрессию генов и дифференциальный альтернативный сплайсинг в мышцах gastrocnemius и quadriceps 30-недельных самок мышей BALB/c [155]. Авторы обнаружили 105 дифференциально экспрессируемых генов только в m. gastrocnemius и 55 генов только в m. quadriceps. Кроме того, 15 генов регулировались в обеих тканях. Дифференциальный альтернативный сплайсинг имел место в 21 гене для обеих мышц; при этом 159 генов были идентифицированы только в четырехглавой мышце, а 51 - только в двуглавой. Примечательно, что транскрипты, относящиеся к белкам скелетных мышц, в основном подвергались дифференциальному сплайсингу и менее дифференциально экспрессировались, это указывает на ключевую роль альтернативного сплайсинга в транскриптомном ответе мышц на воздействие µg . Более того, альтернативный дифференциальный сплайсинг был более тесно связан с реальными физиологическими изменениями в мышцах, чем дифференциальная экспрессия генов [155].

В другом исследовании на взрослых мышах-самцах C57Bl/N6, находившихся на борту капсулы BION-M1 в течение 30 дней, изучались измененные профили экспрессии генов в скелетных мышцах [156]. В мышце soleus было обнаружено 680 дифференциально экспрессированных генов, в мышце extensor digitorum longus - 72, в том числе 24 из них были идентифицированы в обеих тканях. Анализ путей показал, что эти гены относятся к таким важным биологическим процессам, как сократительный механизм, гомеостаз кальция, развитие мышц, клеточный метаболизм, воспалительные и окислительные стрессовые реакции. Авторы предположили, что эти данные могут помочь найти новые биомаркеры и мишени для разработки и оптимизации мер противодействия и послеполетной реабилитации [156].

Третье исследование было посвящено NRF2, регулирующему экспрессию гемоксигеназы-1 и ингибирующему инфламмасому NLRP3. Для этого самцы мышей C57BL/6J дикого типа и Nrf2-нокауты (KO) в течение 31 дня находились на борту МКС при r-µg. После этого был проведен анализ РНК-секвенирования образцов подошвенной мышцы [157]. В целом было обнаружено, что экспрессия мишеней NRF2 под воздействием µg значительно снижена у нокаутных мышей по сравнению с животными дикого типа. Более того, воздействие µg удваивало количество дифференциально экспрессируемых генов между нокаутами и мышами дикого типа (60 при 1g против 120 при µg ). Кроме того, анализ обогащения показал, что процессы метаболизма глюкозы и гликолиза/глюконеогенеза были повышены, а такие процессы, как дифференцировка бурого жира и реакция на окислительный стресс, были понижены у нокаутных мышей под воздействием µg . С учетом дополнительных гистологических анализов, показавших, что переход от окислительных к гликолитическим мышечным волокнам ускорялся у нокаутных мышей, авторы пришли к выводу, что NRF2 влияет на переход миофибрилл под воздействием µg [157].

Для проверки искусственной гравитации в качестве меры противодействия атрофии мышц в космосе были проанализированы три группы мышей-самцов C57BL/6 J: одна оставалась на Земле в качестве наземного контроля, вторую оставили в µg , а третью подвергли воздействию бортовой центрифуги с ускорением 1g во время 35-дневного пребывания на МКС [158]. Авторы обнаружили, что среда 1g предотвращала снижение мышечной массы и композиционные изменения типов волокон в подошвенной мышце животных по сравнению с группой µg. Кроме того, центрифугирование также предотвращало вызванную µg дифференциальную экспрессию генов. Наконец, на основе анализа транскриптома in silico в данном исследовании был выявлен новый ген-кандидат, связанный с атрофией мышц (Cacng1), который может быть подтвержден в дальнейших испытаниях in vitro [158]. Обобщение всех полученных результатов представлено в табл. 7.

Таблица 7. Изменения регуляции генов в мышцах, подвергшихся воздействию условий микрогравитации.

Клетки мышиной остеоцитарной линии Ocy454 подвергались воздействию r-µg в течение 2, 4 и 6 дней во время полета корабля SpaceX Dragon-6 и затем были подвергнуты глобальному транскриптомному анализу для выяснения механизмов восприятия гравитации и реакции на µg в поздних остеобластах и остеоцитах. Было показано, что длительное воздействие µg приводит к более существенным изменениям в экспрессии генов. Анализ обогащения регулируемых генов показал сильную ассоциацию с остеопорозом, резорбцией костной ткани, распознаванием механических стимулов, развитием костной ткани, регуляцией дифференцировки остеокластов и сенсорной рецепцией механических стимулов. Через 6 дней наиболее дифференциально экспрессируемые пути были связаны с метаболизмом глюкозы, а основные молекулярные и клеточные функции - с углеводным обменом, гибелью и выживанием клеток, а также клеточным развитием. Интересно, что контрольные эксперименты при s-µg на RCCS не смогли в достаточной степени повторить результаты, полученные в космосе. Сравнивая свои данные с другими наборами данных из базы NASA GeneLab, авторы также смогли выделить набор из 10 механочувствительных транскриптов, регулируемых в различных типах клеток, которые могут указывать на общую реакцию на µg (табл. 8). Исследование показало, что воздействие µg нарушает дифференцировку остеоцитов и увеличивает метаболизм глюкозы и потребление кислорода [159].

Таблица 8. Изменения генной регуляции костных клеток, подвергшихся воздействию условий микрогравитации.

В другом эксперименте, также изучавшем остеогенную дифференцировку в космосе, были проанализированы эпигенетические изменения в стволовых клетках крови человека, выращенных в остеогенной среде в течение 72 ч. Было установлено, что метилирование в остатках H3K4me3, H3K27me2/3, H3K79me2/3 и H3K9me2/3 участвует в клеточном перепрограммировании и индукции экспрессии генов [160].

В 14-дневном эксперименте по совместному культивированию остеокластов, остеобластов и эндотелиальных клеток на борту космического корабля SpaceX Dragon было показано, что µg снижает экспрессию ключевых генов остеобластов, таких как ATF4, RUNX2 и Osterix, и что эти эффекты могут быть отменены добавлением irisin, что может служить контрмерой против потери костной массы у космонавтов [26].

Помимо r-µg в космосе, для изучения влияния µg на клетки костной ткани использовались также устройства s-µg. Li et al. [161] подвергали мезенхимные стволовые клетки костного мозга человека, культивируемые в остеогенной среде, воздействию измененных гравитационных условий на RPM в течение 2, 7 и 14 дней. Было обнаружено, что s-µg ингибирует пролиферацию и дифференцировку клеток в остеобласты, но вместо этого направляет их в сторону адипогенеза. Это нашло отражение в профилях экспрессии генов, связанных с клеточным циклом (снижение CDKN3, MCM5, CCNB1, CDK1 и CDC20), остеогенной дифференцировкой (снижение RUNX2, ALPL, BMP2 и COL1A1) и адипогенной дифференцировкой (повышение PPARG, CEBPA, CEBPB и CFD). Кроме того, в последней временной точке наблюдалось повышение регуляции опухолеродных генов [161].

Для преобразования костной ткани в условиях s-µg Mann et al. [162] подвергали клетки фетальных остеобластов человека воздействию RPM в течение 7 и 14 дней (табл. 6). Авторы сообщили о дифференциальной экспрессии генов TGFB1, BMP2, SOX9, ACTB, TUBB, VIM, LAMA1, COL1A1, SPP1 и FN1. Примечательно, что некоторые из первоначально адгезивно растущих клеток отделялись от подложки и формировали многоклеточные сфероиды, которые через 14 дней проявляли морфологические свойства костной ткани [162].

Braveboy-Wagner и Lelkes [163] использовали RPM для моделирования различных условий частичной гравитации, сравнимых с Луной, Марсом и "полной" s-µg (табл. 8). Они исследовали экспрессию генов остеогенных маркеров ALPL, RUN и ON в остеобластах 7F2, культивируемых в различных условиях, и обнаружили, что у всех трёх измененные уровня гравитации вызывают резкое снижение экспрессии генов всех трех маркеров. Однако в отличие от скорости пролиферации клеток и активности щелочной фосфатазы, которые также анализировались в данном исследовании, изменения экспрессии генов не были дозозависимыми, а во всех условиях RPM вызывали одинаковое снижение. Это указывает на определенный порог тяжести, который вызывает более бинарное включение-выключение этих генов [163].

Cao et al. [164] сосредоточили внимание на относительно новом классе не-кодирующих РНК - циркулярных РНК (circRNAs), чтобы определить, участвуют ли они в ответе остеобластов на условия s-µg. Для этого клетки пре-остеобластов мыши MC3T3-E1 культивировали в RCCS в течение 72 ч, а затем провели РНК-seq транскриптомный анализ. В результате была обнаружена дифференциальная экспрессия с изменением в разы более или в 2 раза наблюдалась для 427 circRNAs (232 повышены, 95 понижены) и 1912 мРНК (991 повышена, 921 понижена). Кроме того, KEGG-анализ выявил обогащение регуляции актинового цитоскелета, фокальной адгезии и сигнального пути RAS среди дифференциально экспрессируемых мРНК. С учетом центральности выявленных circRNAs и мРНК для функционирования остеобластов было определено девять ключевых регуляторных факторов, включающих три circRNAs (circ_014154, circ_010383 и circ_012460) и шесть мРНК (Alpl, Bg1ap, Col1a1, Omd, Ogn и Bmp-4), которые были дополнительно подтверждены методом qRT-PCR. Наконец, circ_014154 оказалась circRNAs, которая, скорее всего, играет центральную роль в остеогенной дифференцировке в условиях µg [164] Table 8 .

Раковые клетки обладают повышенным потенциалом выживания, неконтролируемой пролиферацией, неограниченным репликативным потенциалом, усиленным ангиогенезом, высоким потенциалом инвазии и метастазирования [165]. Поэтому крайне важно разрабатывать новые стратегии профилактики, диагностики, лечения и излечения различных видов рака. Несмотря на углубление знаний о механизмах и путях, способствующих прогрессированию заболевания при различных видах рака, излечение этого заболевания остается сложной задачей.

Люди в космосе живут в крайне неблагоприятных условиях, характеризующихся космической радиацией, микрогравитацией, гипомагнитным полем и другими стрессовыми факторами [166]. Риск развития рака у космических путешественников до сих пор неясен, однако микрогравитация играет определенную роль в канцерогенезе нормальных и раковых клеток, приводя к различным изменениям на клеточном уровне. Более того, пагубное воздействие радиации на клетки, по-видимому, усиливается в условиях микрогравитации [166].

В недавнем исследовании для выявления соматических мутаций в генах-драйверах клонального кроветворения (CH) в мононуклеарных клетках периферической крови, выделенных из образцов крови 14 астронавтов, участвовавших в полетах космических кораблей Space Shuttle в период с 1998 по 2001 год, было использовано глубокое направленное секвенирование ДНК с коррекцией ошибок [132]. Авторы обнаружили 34 несинонимичные мутации с относительно низкой долей вариантных аллелей в 17 генах CH-driver [132]. Преимущественно были обнаружены мутации в TP53 и DNMT3A. Поэтому необходимы дальнейшие ретроспективные и проспективные исследования с акцентом на клиническую значимость и потенциальное применение в мониторинге здоровья космонавтов. TP53 кодирует опухолевый супрессор р53, который индуцируется различными стрессовыми стимулами. Р53 играет роль в апоптозе, репарации ДНК, остановке роста или старении. Дисрегуляция Р53 является фактором риска развития онкологических заболеваний и является кандидатом на исследование после глубоководных экспедиций. Drago-Ferrante et al. . [167] недавно провели обзор доступной литературы, чтобы ответить на вопрос: "Внеземная гинекология: Могут ли космические полеты повысить риск развития рака у женщин-астронавтов?". Авторы обнаружили недостаток знаний о влиянии космического излучения и микрогравитации на развитие гинекологического рака. В настоящее время число женщин, участвовавших в длительных полетах, слишком мало, чтобы ответить на этот вопрос [167].

В научной работе, опубликованной Reynolds и соавторами [168], была обследована группа из 301 астронавта и 117 космонавтов. На основании полученных результатов авторы пришли к выводу, что если ионизирующее излучение и влияет на риск смерти от рака и сердечно-сосудистых заболеваний, то этот эффект не является драматическим. Авторы сообщили, что им не удалось найти доказательств, достаточных для вывода о том, что исторические дозы космической радиации создают избыточный риск смертности для космонавтов и астронавтов. Однако планируемое освоение дальнего космоса, вероятно, обеспечит более высокие дозы космической радиации, чем исторические, что приведет к иному профилю риска для будущих космических путешественников [168].

Данные о заболеваемости раком и смертности от него в корпусе астронавтов США за период с 1959 по 2017 год были опубликованы Reynolds et al [169]. Когорта состояла из 338 астронавтов NASA. Средняя продолжительность наблюдения составила 28,4 года. По сравнению с общей популяцией у американских астронавтов отмечено снижение риска смертности от рака в целом [169].

Следующие подглавы посвящены влиянию r- и s- µg на экспрессию генов и генетику в различных типах раковых клеток, таких как рак щитовидной железы, молочной железы, простаты и легких, а также желудочно-кишечного тракта и опухолей кожи. Этот краткий обзор наглядно показывает, что µg -исследования стали важной новой технологией, позволяющей расширить наши знания в области биологии рака, и изучает влияние реальной и моделируемой невесомости на генную регуляцию и генетику в раке. Наиболее важные публикации приведены в табл. 9.

В отличие от других распространенных онкологических заболеваний, рак щитовидной железы обычно возникает в молодом возрасте и поражает женщин в два-три раза чаще, чем мужчин, и, таким образом, становится вторым по распространенности онкологическим заболеванием у женщин в возрасте до 40 лет [170]. Однако папиллярная карцинома щитовидной железы (PTC), которая часто встречается и возникает в более молодом возрасте, легко поддается лечению по сравнению с фолликулярным и медуллярным раком щитовидной железы. PTC частично наследуется и ассоциируется с перестройкой и трансфекцией (RET) и слиянием RET/PTC [171]. В отличие от других типов рака щитовидной железы, анапластический рак щитовидной железы, составляющий около 2% карцином щитовидной железы и встречающийся преимущественно у пожилых людей, имеет плохую 5-летнюю выживаемость - 7% [172]. В популяционном исследовании Корпуса астронавтов США за период с 1959 по 2013 г. был обнаружен только один астронавт с раком щитовидной железы [169].

С другой стороны, снижение активности щитовидной железы (гипотиреоз) в условиях космоса наблюдалось еще в середине 1980-х годов во время полетов космических аппаратов "Космос-1667" и "Космос-1887" [173]. Это совпадение обусловило общий интерес космических и онкологических исследований к молекулярным механизмам, лежащим в основе этих изменений функции щитовидной железы. Соответственно, в данной главе обобщены результаты последних пяти лет исследований в области молекулярной медицины с акцентом на изменения экспрессии генов при раке щитовидной железы под действием µg .

В 2017 году Bauer и соавт. представили дифференцированный подход к анализу протеомных данных в трех публикациях [174-176]. В основе этих трех анализов лежали сфероиды клеток рака щитовидной железы FTC-133 после двух- или пятидневной экспозиции на RPM, которые сравнивались с адгезивными клетками эксперимента с µg и статическими контролями с 1g. Клеточная линия FTC-133 была первоначально получена из метастаза фолликулярной карциномы щитовидной железы в лимфатическом узле 42-летнего мужчины. Всего с помощью масс-спектрометрии было количественно определено 5900 белков [174]. Анализ белковых взаимодействий позволил авторам выдвинуть гипотезу о том, что в процессе формирования сфероидов повышенная продукция ASAP1 при снижении уровней CAV-1 и p130cas приводит к локализации PXN, VCL и PTK2 в комплексе фокальной адгезии, что косвенно приводит к отслойке клеток [174]. В том же году группа Johann Bauer's разработала семантическую базу знаний с использованием набора белковых данных FTC-133 и общедоступных данных для структурированного отражения функциональных свойств белков [175]. В 2018 году эта база была расширена для учета пост-трансляционных модификаций (PTM) и анализа редких экспериментальных результатов. Были определены и задокументированы PTM, такие как фосфорилирование, гликозилирование, убиквитинирование и ацетилирование для 69 белков-кандидатов из оригинального эксперимента FTC-133 s-µg [176].

Трансмембранный белок II типа аспартат β-гидроксилаза (ASPH) избыточно экспрессируется в различных типах рака и участвует в пролиферации, инвазии и метастазировании [177]. Было обнаружено, что в клетках FTC-133 она значительно повышается в гипергравитационной фазе полета ракеты TEXUS-53 [178]. Моделирование гипергравитационной фазы полета ракеты в центрифуге (18g в течение 1 мин) привело к умеренной, но значительной нестабильности (regulations) COL1A1, VCL, CFL1, PTK2, IL6, CXCL8 и MMP14 [179]. Nassef и соавт. сравнили визуализацию живых клеток миссии TEXUS-53 (клетки рака щитовидной железы FTC-133) с визуализацией живых клеток миссии TEXUS-54 (клетки рака молочной железы MCF-7) и обнаружили сопоставимые цитоскелетные изменения, такие как филоподии и ламеллиподии, и предположили наличие общего гравитационного механизма в раковых клетках человека [180].

Wise и соавторы [181] исследовали супернатанты клеток рака щитовидной железы FTC-133 из модуля CellBox-1 грузового корабля SpaceX CRS-3, доставленного на МКС. Супернатанты клеточных культур представляют собой внеклеточные везикулы (EV), содержащие фосфолипидные бислои для внеклеточной секреции. Перенос опухолевых EVs оказывает усиливающее влияние на пролиферацию, миграцию и устойчивость к лечению опухолевых клеток-реципиентов. Измерения с помощью интерферометрического отражения изображения одиночной частицы, полученной во время космического полета, выявили увеличение популяции CD9/CD81 по сравнению с наземным контролем в 1g. Насколько это влияет на агрессивность опухоли, предстоит показать в дальнейших исследованиях. После пребывания на МКС клетки рака щитовидной железы FTC-133 развили MCS во всех шести блоках [182]. Melnik и соавт. количественно определяли уровень РНК 19 генов-кандидатов методом qPCR и белки, выделяемые в супернатанты (n = 25). Сравнение 5-дневных сфероидов, выращенных при µg , с наземным контролем выявило значительное снижение экспрессии VCL, PXN, ITGB1, RELA, ERK1, ERK2, MIK67 и SRC, в то время как уровни ICAM1, COL1A1 и IL6 были повышены исключительно в адгезированных при µg клетках. Секреция белков, измеренная с помощью технологии мультианалитического профилирования, существенно не изменилась, за исключением повышения уровня ангиопоэтина 2 (Ang-2). В супернатантах образцов, полученных в результате 10-дневного космического полета, наблюдалось повышение уровня Ang-2 по сравнению с соответствующим 10-дневным наземным контролем [182].

Table 9. Changes in gene regulation of different cancer cells exposed to microgravity conditions.

Dexamethasone (DEX) является ингибитором клеточной пролиферации и затрагивает, в том числе и клетки медуллярного рака щитовидной железы [203]. Он вызывает остановку клеточного цикла в фазе G1 и усиление апоптоза. Кроме того, он вызывает увеличение экспрессии p27 и истощение экспрессии циклин-зависимых киназ. Используя синтетический глюкокортикоид DEX, Melnik et al. смогли подавить образование сфероидов в клетках FTC-133, которое обычно происходит под действием s-µg [183]. Кроме того, было обнаружено DEX-зависимое изменение экспрессии NFKB2, VEGFA, CTGF, CAV1, BCL2 и SNAI1. Таким образом, DEX влияет на пролиферацию и миграцию (VEGFA, CTGF), клеточный цикл (CTGF) и апоптоз (BCL2).

В новом исследовании Melnik et al. [185] показано, что это ингибирование было избирательным для двух клеточных линий метастатического рака щитовидной железы - FTC-133 и WRO, тогда как на доброкачественные тироциты Nthy-ori 3-1 и рецидивирующие клетки фолликулярного рака щитовидной железы ML-1 DEX (0, 10, 100, 1000 нМ) при воздействии в течение 72 ч на RPM не влиял (табл. 9). DEX нарушает триггерный стресс-сигналинг p38 в клетках FTC-133, вызванный случайным позиционированием [185]. Обработка клеток FTC-133 DEX ассоциируется с повышением их адгезивности. Этот процесс обусловлен восстановлением выраженного образования нормального количества плотных соединений. Кроме того, в клетках Nthy-ori 3-1 и ML-1, подвергшихся воздействию RPM, наблюдается повышение уровня анти-адгезионного белка муцина-1, что может являться механизмом защиты от механического стресса [185]. Баланс между адгезией, анти-адгезией и межклеточными связями обеспечивает отрыв адгезивных клеток человека, подвергнутых или не подвергнутых воздействию RPM, что позволяет селективно ингибировать метастазирование щитовидной железы in vitro с помощью DEX [185].

Женщины-космонавты подвергаются воздействию галактической космической радиации (GCR) в космосе и имеют повышенный риск развития рака молочной железы [204]. Экспрессия Spp1, вызванная имитацией GCR, совпадает с пролиферацией клеток протоков молочной железы и пред-неопластическими изменениями в модели мышей ApcMin/+ [204].

До недавнего времени количество женщин в космосе, подвергшихся длительному облучению малыми дозами, а также протонным и тяжелым ионным излучением, было недостаточным для определения риска развития у них рака [167].

Для различных типов клеток соматического и опухолевого происхождения наблюдаются глубокие экспрессия генов и генетические изменения [205,206]. "Источник" µg может быть реальным, как в экспериментах по свободному падению, параболическим полетам и в космосе, или моделируемым, как при RWV, RCCS или RPMs. При раке молочной железы особенно часто страдают (и наиболее часто тестируются) гены, связанные с пролиферацией, апоптозом, стволовым развитием рака и метастатическим потенциалом (табл. 9).

В недавно проведенном 72-часовом эксперименте с клетками MDA-MB-231 экспрессия генов AKT, BAX, BCL2, CD44 и MMP9 была повышена по сравнению с контролем 1g [190]. Это особенно характерно для клеток, формирующих сфероиды, в большей степени, чем для клеток, остающихся поверхностно-адгезивными [190]. В той же клеточной линии (MDA-MB-231) различные изменения в экспрессии генов происходили уже через 24 ч [188]. После 24-часового воздействия RPMs была отмечена пониженная регуляция мРНК LAMA3, ITGB1 в клетках AD и мРНК ITGB1, TLN1 и VCL в МСК MDA-MB-231. В отличие от этого, мРНК ACTB, TUBB, FN1, FAK1 и PXN в клетках MDA-MB-231 не претерпели существенных изменений [188]. Кроме того, в клетках MCF-7, подвергшихся воздействию RPMs, наблюдалось снижение содержания FAK1, PXN, TLN1, VCL и CDH1 в клетках AD и PXN, TLN и CDH1 в клетках MCS [188].

Клетки MDA-MB-231 также подвергались воздействию r-µg во время эксперимента с параболическим полетом (подвергались 31 раз микрогравитации в течение 22 с) [189]. мРНК ICAM1, CD44 и ERK1 повышались уже после первой параболы, тогда как экспрессия NFKB1, NFKBIA, NFKBIB и FAK1 повышалась к концу полета. Примечательно, что экспрессия CD44 и NFKBIA также повышалась в гипер-G фазе. В другом параболическом полете та же клеточная линия показала повышение экспрессии мРНК KRT8, RDX, TIMP1 и CXCL8 и снижение экспрессии VCL [180].

В другом длительном эксперименте (2 недели) на RPM с клетками MCF-7 экспрессия BCAR1 и MAPK8 не изменилась, в то время как наблюдалась тенденция к снижению экспрессии CDH1 [207]. Используя клетки MCF-7, Wise et al. проанализировали супернатанты клеточных культур клеток, инкубированных на RPM в течение 5 и 10 дней, на предмет изменения количества высвобождающихся малых EV по сравнению с соответствующими 1g контроля. Как и в предыдущем исследовании, количество секретируемых EV увеличивалось в обеих группах RPM. Сравнивая высвобождение EV через 5 и 10 дней s-µg, авторы не обнаружили заметной разницы, что позволяет предположить, что регуляторные изменения высвобождения экзосом происходят на ранних этапах после начала воздействия s-µg [208].

Исследуя клеточную линию аденокарциномы (CRL2351), Strube et al. наблюдали повышение уровня BRCA1, RHOA, VIM, HER2 и MAPK1 во всех клетках, культивируемых в условиях s-µg (адгезивных и сфероидах), тогда как ERBB2 был повышен в сфероидах, но не в адгезивных клетках после пятидневного воздействия RPM. Экспрессия RAB27A была снижена, в то время как экспрессия VEGF не изменилась [186]. В дальнейших экспериментах с той же клеточной линией, продолжавшихся всего 24 ч, экспрессия VCAM1 была значительно повышена, а VIM - значительно понижена. Экспрессия MAPK1, MMP13, PTEN и TP53 оставалась неизменной [209]. Как было описано ранее при µg [210], уровни экспрессии генов не всегда коррелируют с уровнями обнаружения соответствующих генных продуктов, что указывает на контррегуляторный эффект.

В другом исследовании было показано, что раннему апоптозу активно противодействует активация двух различных путей выживания ERK и Akt, происходящая в клетках MCF10A и MCF-7 (табл. 9). Однако через 72 ч значительное увеличение апоптоза было обнаружено только в не-адгезивных клетках MCF-7, что позволяет предположить, что потеря адгезии и цитоскелетные изменения, индуцированные µg , могут в конечном итоге преодолеть стратегии выживания раковых клеток MCF-7 [211].

Calvaruso et al. [190] исследовали клетки MDA-MB-231 в условиях s-µg в течение 24 и 72 ч. MCSs показали увеличение экспрессии как CD44 (раковый ствол), так и MMP9 (метастазирование). qRT-PCR следующих генов и основных регулируемых процессов: AKT и KI67 (пролиферация рака), а также BAX и BCL2 (апоптоз). AKT и Ki67 значительно повышались в МСК через 72 ч [190]. мРНК BAX была повышена в популяции RPM-AD через 72 ч, что свидетельствует о том, что клетки ADs будут подвергаться апоптозу. Напротив, уровень BCL2 был низким в клетках RPM-AD через 72 ч, но сильно повышенным в MCS через 72 ч, что указывает на различное поведение двух разных фенотипов на RPM (табл. 9) [190].

В недавно проведенном долгосрочном s-µg исследовании была продемонстрирована связь между реальной средой метастатической микроопухоли и клетками рака молочной железы (MCF-7, MDA-MB-231), подвергшимися воздействию RPM, в отношении биологических факторов, связанных с внеклеточным матриксом, цитоскелетом, морфологией и различными клеточными сигнальными путями [191]. Было показано, что ключевые элементы (ERK1, AKT1, MAPK14, EGFR, CTNNA1, CTNNB1, ITGB1, COL4A5, ACTB и TUBB) были дифференциально экспрессированы. Для изучения того, насколько эти DEGs, о которых уже известно, что они участвуют в 3D-формировании клеток рака молочной железы, подвергнутых воздействию µg , определяют формирование MCS, был применен "взвешенный анализ сети ко-экспрессии генов" (Weighted Gene Co-Expression Network Analysis, WGCNA). WGCNA выявила 7 (ACTB, CD44, EGFR, ITGB1, PXN, TUBB и VCL) из 18 генов. Последующий анализ обогащения определил, что эта группа генов составляет кластер генов, отвечающих на морфологию рака молочной железы (табл. 9) [191].

Среди всех онкологических заболеваний рак предстательной железы занимает второе место по количеству жизней среди мужского населения развитых стран после рака легкого. Заболевшие мужчины в среднем достигают возраста 65 лет и имеют хорошие шансы на выздоровление до появления метастазов. Однако после образования метастазов 5-летняя выживаемость снижается почти со 100% до всего 30% [212]. Поэтому поиск эффективных и рано реагирующих биомаркеров является весьма актуальной задачей молекулярной медицины.

Рак предстательной железы был наиболее часто диагностируемым онкологическим заболеванием среди американских астронавтов [169]. Заболеваемость была выше по сравнению с общей популяцией США [169]. Такое повышение может быть связано с погрешностью выявления, обусловленной ранним и частым обследованием космонавтов.

Трагическое завершение полета космического корабля Columbia STS-107 1 февраля 2003 г. также уничтожило значительную часть результатов первого и пока единственного культивирования клеток рака простаты в реальных космических условиях [213].

За последние три года в трех публикациях описана реакция клеточной линии карциномы простаты PC-3 на гравитационные изменения (табл. 9) [192-194]. PC-3, модель мелкоклеточной карциномы простаты, характеризуется высоким метастатическим потенциалом и отсутствием экспрессии PSA [214].

Рандомизируя вектор гравитации в RPM и тем самым создавая s-µg, Hybel и соавт. исследовали экспрессию 23 генов-кандидатов методом qPCR [192]. После трех дней воздействия s-µg , но особенно после пяти дней воздействия s-µg , были обнаружены значительные изменения в экспрессии генов передачи сигналов VEGF, внеклеточного матрикса (ECM) и фокальной адгезии. Этот профиль экспрессии различается между адгерентными клетками и многоклеточными сфероидами (MCS) (рис. 4). После пяти дней воздействия RPM наблюдалось умеренное, но значительное увеличение экспрессии двух исследуемых генов цитоскелета ACTB и TUBB. Поскольку подавление экспрессии VEGF уже применяется в терапии рака, основное внимание в исследовании было уделено генам VEGF-сигнализации. В частности, бросается в глаза увеличение экспрессии FLK1 и LCN2 после трехдневной s-µg в адгерентных клетках и MCS. В адгезивных клетках повышение экспрессии FLK1 носит преходящий характер и вновь снижается через пять дней при µg . В MCS увеличение экспрессии FLK1 и LCN2 совпадает со снижением экспрессии VEGFA. Как и для FLK1, для гена ECM COL4A5 увеличение экспрессии в адгерентных клетках нивелируется после пяти дней RPM.



Figure 4. Microgravity-induced in vitro metastasis model. (A) µg exposure of adherent tumor cells causes downregulation of focal adhesion molecules. As a consequence, cells detach and form tumor spheroids resembling micrometastases. When gravity is restored, the spheroids reattach to their substrate. (B,C) Transmitted light microscopy images of spheroid development in PC-3 prostate tumor cells under s-µg (RPI). The graphical representation of cell adherence and spheroid formation is inspired by Grimm et al., 2022, Figure 5 [215].

Dietrichs и соавторы [193] использовали аналогичную установку, что и в предыдущем исследовании Hybel и соавторов [176]. Однако, с одной стороны, были значительно сокращены периоды работы RPM (с 30 мин до 24 ч), с другой - увеличено количество генов, исследуемых с помощью qPCR, до 30, и измерена секреция белка. Таким образом, исследование было направлено на наблюдение ранних стадий развития сфероидов PC-3. В ходе исследования было установлено, что развитие сфероидов связано со значительным увеличением экспрессии генов ACTB, MSN, COL1A1, LAMA3, FN1, TIMP1, FLT1, EGFR1, IL1A, IL6, CXCL8 и HIF1A после 24 ч воздействия RPM. Экспрессия генов и секреция белков интерлейкинов регулируется преимущественно в течение 2-4 ч воздействия RPM. Авторы делают вывод, что цитокины IL-1α, IL-1β, IL-6 и IL-8 играют важную роль в развитии рака предстательной железы [193].

Эксперименты по параболическому полету характеризуются включением 22-секундной µg -фазы в две 20-секундные гипергравитационные фазы (табл. 1). В исследовании Schulz и соавторов [194] клетки PC-3 подвергались этим кратковременным гравитационным изменениям. Транскриптомный анализ данных, полученных с помощью секвенирования РНК, показал, что, особенно после первой параболы, цитокины, а здесь, в частности, хемокины, были дифференциально экспрессированы. Помимо хемокинов NF-?B-сигнализации, были выделены воспалительные цитокины TNF-α и LIF, играющие роль во взаимодействии с CXCL-8 в развитии рака, и хемокины CXCL3 и CXCR2 - в их роли в миграции клеток. Однако среди 298 дифференциально экспрессированных генов были обнаружены также lncRNAs (23,9%) и miRNAs (2,5%). Геномно близко расположенные miRNA miR221 и lncRNA MIR222HG повышаются после первой параболы и играют роль в развитии и прогрессии рака, соответственно. Кроме того, уже после первой параболы повышается уровень lncRNA MIR3142HG. Роль MIR3142HG в прогрессии рака в настоящее время остается спорной.

Рак легкого остается основной причиной смерти от рака, по оценкам, 1,8 млн. смертей (18%), но рак молочной железы обошел рак легкого как наиболее часто диагностируемый рак, по оценкам, 2,3 млн. новых случаев (11,7%) [216]. Заболеваемость и смертность от рака легких среди американских астронавтов значительно ниже, чем среди населения США в целом, а те немногие случаи, которые были отмечены, оказались менее смертоносными, чем ожидалось [169].

Множественные эффекты как r-, так и s-µg наблюдались также в различных клеточных линиях рака легкого. Например, клетки сквамозного немелкоклеточного рака легкого (CRL-5889), подвергнутые воздействию s-µg с помощью RPM в течение 72 ч, показали усиление апоптоза сфероидов и повышение экспрессии TP53, CDKN2A, PTEN, SOX2 и RB1, тогда как экспрессия AKT3, PIK3CA и NFE2L2 оставалась неизменной (рис. 5) [196]. После 24 ч пребывания на 3D-ролике гены MMP-2, MMP-9, TIMP-1 и TIMP-2, связанные с миграцией, были повышены как в линии сквамозных клеток (H1703), так и в линии клеток аденокарциномы (A549) [195].



Figure 5. The effects of a four-day RPM exposure on the human squamous non-small-cell lung cancer cell line CRL-5889 according to Dietz and co-workers [196] (A-D). (A) The RPM exposure leads to partial detachment of cells from the bottom of the flask and after 24 h to first aggregations (spheroid formation) that further increase after 96 h. (D, black arrow). However, one part of the cells remains attached to the bottom of the bottle (D, adherent cells (AD), white arrow). These AD cells exhibit an upregulation of the PTEN, RB1, TP53, CDKN2A, and SOX2 gene expression, whose protein-to-protein interactions were shown by STRING analysis (B). In contrast under 1g on 2D cell culture plate the cells stay in a state of near confluence (C). These results are published in [196]

Кроме того, под действием s-µg в клетках A549 изменялась транскрипция кодирующих РНК и миРНК, регулирующих гены, связанные с регуляцией клеточного цикла, апоптозом и стрессовым ответом [217].

В другом исследовании, также проведенном на клетках A549 и H1703, экспрессия MMP-2, MMP-9, TIMP-1 и TIMP-2 была снижена в обеих клеточных линиях после 36 ч воздействия 3D-клиностата [218]. Эффект также наблюдался, но был менее выражен через 12 ч.

Стволовые клетки рака легкого (полученные из клеточной линии H460) снижают экспрессию генов стволовости NANOG и OCT-4 после 6 ч воздействия RPM [219]. Этот эффект сохранялся, но был менее выражен через 24 ч.

В недавнем исследовании, проведенном в декабре 2022 г., на альвеолярных базально-эпителиальных (A549) клетках, подвергнутых воздействию двумерного клиностата в течение 24, 48 и 72 ч, выявлено 13 DEGs, ассоциированных с прогнозом развития рака легкого (табл. 9) [197]. Анализ обогащения набора генов показал, что эти DEGs обогащены в гуморальных путях иммунитета. Параллельно было обнаружено изменение морфологии, снижение скорости пролиферации, увеличение экспрессии эпителиального E-кадхерина и снижение экспрессии мезенхимного N-кадхерина. Повышенная экспрессия FCGBP, BPIFB, F5, CST1 и CFB и их корреляция с эпителиально-мезенхимным переходом (EMT) при клиноротации были обнаружены в качестве потенциальных биомаркеров опухолевых супрессоров [197].

В совокупности эти результаты открывают новые возможности для разработки новых терапевтических стратегий для больных раком легкого.

В этом подразделе представлены исследования клеток колоректального рака, рака желудка и поджелудочной железы, культивированных в условиях r-µg и s-µg за последние пять лет.

Колоректальный рак (CRC) является третьим по распространенности и вторым по смертности злокачественным новообразованием. В 2020 г. в мире от этого вида рака заболеваемость составит 1,9 млн. случаев, а смертность - 0,9 млн. случаев [220]. Клетки CRC были одним из первых типов клеток, использованных в µg -исследованиях [215], в основном для инженерии 3D-тканей или сфероидов. Однако за последние пять лет клетки CRC не изучались при r-µg исследованиях на МКС, и после обширного поиска литературы была найдена только одна работа, изучающая воздействие s-µg на клетки CRC с акцентом на изменения экспрессии генов.

Интересное исследование было посвящено, в частности, заболеваемости раком толстой кишки у астронавтов. В работе Reynolds et al. [169] среди американских астронавтов (1959-2017 гг.) изучался ряд актуальных вопросов, включая показатели смертности от рака, показатели заболеваемости раком и коэффициенты смертности от рака. По сравнению с общей популяцией США рак толстой кишки показал значительное (но несущественное) снижение заболеваемости и смертности. Здоровый образ жизни и дифференцированный скрининг могут объяснить эти тенденции к снижению заболеваемости раком толстой кишки среди космонавтов [169].

Для изучения влияния s-µg на жизнеспособность и морфологию различных типов клеток CRC был использован RCCS-HARV [198]. В клетках DLD1, HCT116 и SW620 была обнаружена повышенная запрограммированная гибель клеток. Кроме того, анализ экспрессии генов в клетках DLD1 выявил повышение уровня опухолевых супрессоров PTEN и FOXO3, что привело к снижению уровня AKT и дальнейшей индукции апоптоза через повышение уровня CDK-ингибиторов CDKN2B и CDKN2D [198]. Обнаружение усиленного апоптоза в раковых клетках, выращенных в условиях µg , ранее сообщалось и для других типов раковых клеток, таких как клетки рака щитовидной железы, рака легкого или рака молочной железы [196,221,222].

По оценкам, в 2020 году рак желудка будет диагностирован в мире у 1 089 103 пациентов. В 2020 году от рака желудка умерло 768 793 человека (7,7%). Рак желудка занимает пятое место в мире по частоте обнаружения [216].

Одна из недавних публикаций (табл. 9) посвящена изменению лекарственной устойчивости gastric cancer cells (GCC), культивируемых под действием s-µg [199]. Резистентные и чувствительные GCC человека (EPG85-257 RDB и EPG85-257 P) подвергались воздействию RCCS [199]. Авторы показали, что воздействие RCCS, наряду с обработкой доксорубицином, было цитотоксичным для GCC [199]. В клетках, подвергшихся воздействию RCCS, наблюдалось снижение экспрессии генов, связанных с лекарственной устойчивостью, и повышение экспрессии маркеров повреждения ДНК/РНК. Моделирование условий µg изменяет экспрессию генов MDR в GCC, повышает выживаемость клеток и индуцирует цитоскелетные изменения, повышая восприимчивость GCC к химиотерапии. Интересной находкой стало то, что µg ослабляет действие генов, ассоциированных с лекарственной устойчивостью [199].

В области рака печени в 2019 году была опубликована одна работа с использованием µg в клетках HepG2. Изучалось влияние s-µg с использованием RCCS на HepG2 и стволовые и клетки предшественники билиарного дерева человека (hBTSCs) [200]. Клетки HepG2 получены из хорошо дифференцированной гепатоцеллюлярной карциномы. s-µg способствовала развитию 3D-культур обоих типов клеток. В hBTSC, подвергнутых воздействию РКС, наблюдалось значительное увеличение экспрессии генов стволовости. В то же время экспрессия маркеров линии гепатоцитов в hBTSCs была нарушена под действием s-µg [200].

HepG2 культивировали в гормонально-определенной среде в условиях 1g и RCCS. При 1g в клетках HepG2 наблюдалась низкая экспрессия OCT4 и SOX17 или их отсутствие, однако при s-µg наблюдалось значительное повышение экспрессии обоих генов. Кроме того, s-µg увеличивал экспрессию гена ALB в клетках HepG2. Кроме того, в клетках HepG2 под действием s-µg значительно снижалась транскрипция CYP3A4 - маркера гепатоцитов поздних стадий (т.е. зоны 3).

Воздействие RPM индуцировало формирование 3D-культур, стимулировало плюрипотентность и гликолитический метаболизм в стволовых/прогениторных клетках HepG2 и билиарного дерева [200].

В 2022 году была опубликована одна работа, изучающая влияние длительного (1, 7 и 9 дней) воздействия RPM на клетки рака поджелудочной железы (PCC; клеточная линия PaCa-44) [201]. Протоковая аденокарцинома поджелудочной железы является одной из наиболее тяжелых опухолей во всем мире и представляет собой четвертую-пятую причину смертности. Поэтому для расширения наших знаний об этом типе рака необходимы новые стратегии. Исследование включало протеомный, липидомный и транскриптомный анализы. Под действием s-µg клетки агрегируют в трехмерные сфероидальные структуры. Морфология клеток изменяется за счет модуляции белков, участвующих в передаче сигналов Cdc42 и RhoA. Это приводит к цитоскелетным изменениям, ангиогенезу и стволовости. Кроме того, сообщается, что метаболическое перепрограммирование, оркестрируемое активацией путей HIF-1α и PI3K/Akt, более активным гликолизом по сравнению с состоянием адгезии, участвует в регуляции пролиферации, метастазирования и агрессивности. Эти данные свидетельствуют о том, что PCC, подвергшиеся воздействию RPM, дифференцируются в сторону более агрессивного метастатического фенотипа стволовых клеток [201].

До настоящего времени µg исследования в области рака кожи проводились на клетках злокачественной меланомы. Рак кожи включает в себя не-меланомный рак (базально-клеточная карцинома, сквамозно-клеточная карцинома, болезнь Боуэна и актинический кератоз) и злокачественную меланому. Хотя последняя составляет лишь 1% всех случаев рака кожи, она является наиболее смертоносной формой и ответственна примерно за 80% всех случаев смерти от рака кожи [223]. По данным GLOBOCAN, в 2020 г. в мире возникнет 324 635 новых случаев заболевания (1,7%) [216]. Кроме того, метастазирование меланомы по-прежнему представляет собой серьезную терапевтическую проблему из-за ее плохого ответа на химиотерапию.

Во время космических полетов космонавты сталкиваются с космическим излучением, поэтому крайне важно определить заболеваемость и смертность от рака кожи [169]. Для меланом выявлено значительное увеличение заболеваемости и смертности. Повышенная заболеваемость меланомой сопоставима с той, которая наблюдается у пилотов самолетов. Авторы пришли к выводу, что это повышение может быть связано с ультрафиолетовым излучением или изменением факторов образа жизни, а не с каким-либо воздействием космического полета [169].

Ivanova et al. [202] изучали влияние клиноротации с использованием быстро вращающегося двумерного клиностата на экспрессию генов изоформ NOS, sGC, GC-A/GC-B и белков 4/5 (MRP4/MRP5), селективных экспортеров cGMP в клетках метастатической меланомы человека (высоко метастатические и непигментированные клетки меланомы BLM) (табл. 9). Эндотелиальный путь NOS-sGCMRP4/MRP5 был снижен в s-µg по сравнению с 1g. Подавление экспрессии и активности sGC обратно коррелирует с агрессивностью опухоли. Кроме того, клиноротация снижала экспрессию генов iNOS и GC-A/GC-B, связанных с раком. Полученные результаты позволяют предположить, что в будущих исследованиях r-µg целесообразно рассматривать GC-cGMP-сигнализацию как возможный фактор трансформации меланоцитов [202].

Как уже упоминалось ранее, s-µg может способствовать программируемой клеточной гибели в различных типах раковых клеток [196,221,222]. Воздействие RPM на клетки BL6-10 (высоко метастазирующая клеточная линия меланомы B16) подавляло пролиферацию/метастазирование клеток через FAK/RhoA-регулируемый путь mTORC1. s-µg усиливала апоптоз, изменял цитоскелет, уменьшал количество фокальных адгезий (ФА) и подавлял FAK/RhoA-сигнализацию. Воздействие RPM снижало экспрессию связанного с mTORC1 раптора, pS6K, pEIF4E, pNF-κB и pNF-κB-регулируемого Bcl2 [224]. Кроме того, s-µg ингибирует экспрессию белков ядерной оболочки (NEPs) lamin-A, emerin, sun1 и nesprin-3, контролирующих ядерное позиционирование, и подавляет регулируемую ядерным позиционированием сигнализацию pERK1/2. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что s-µg индуцирует апоптоз через подавление FAK/RhoA-регулируемых путей mTORC1/NF-κB и ERK1/2. Это может предложить сеть FAK/RhoA в качестве новой мишени для разработки новых терапевтических средств для людей, находящихся в космосе в долгосрочной миссии [224]. Во второй работе этой группы было показано, что s-µg препятствует образованию фокальных адгезий, что приводит к ингибированию передачи сигналов FAK и RhoA и блокированию пути mTORC1, что в конечном итоге приводит к активации пути AMPK и снижению пролиферации и метастазирования клеток меланомы [225].

В целом наши знания о раке кожи в µg основаны на исследованиях, сфокусированных на клетках злокачественной меланомы. Однако за последние пять лет было опубликовано лишь несколько работ, посвященных клеткам меланомы, культивируемым в условиях микрогравитации, с акцентом на измененную экспрессию генов. Было показано, что в клетках меланомы, подвергшихся воздействию s-µg, наблюдается увеличение апоптоза, изменение цитоскелета, уменьшение фокальной адгезии и сигнального пути FAK/RhoA.

Растения играют двойную роль в космической биологии, являясь частью биорегенеративных систем жизнеобеспечения (БСЖО), обеспечивающих длительное пребывание в космосе [226], и одновременно модельными организмами для лучшего понимания основ физиологии растений и повышения урожайности на Земле [227]. В настоящее время растения исследуются на различных µg -платформах. На рис. 6 показан эксперимент с Arabidopsis thaliana на ракете-носителе и МКС. Отсутствие этических проблем и очевидная простота использования растений для проведения наблюдений за сложными регуляторными и сигнальными сетями в целых организмах делают их привлекательными для исследований в различных гравитационных условиях. Однако растения также очень чувствительны к многочисленным абиотическим стрессам космического полета, что требует тщательного планирования экспериментов [228]. Молекулярные изменения в растениях, связанные с гравитацией, мы подробно обсуждали в нашем последнем обзоре [229], поэтому следующие короткие главы мы хотим посвятить новым открытиям, полученным в условиях r-µg, сопутствующим трудностям при постановке экспериментов в космосе и перспективным методам.



Figure 6. The model organism Arabidopsis thaliana is used in various microgravity research applications. (Left): 5-day-old seedlings in a fixation chamber moments before integration into a sounding rocket during the TEXUS 57 campaign (hardware designed by Airbus Defence and Space). (Right): Flowering Arabidopsis plants inside the Plant Habitat-01 in the European Columbus laboratory module aboard the ISS (image courtesy of NASA)

Понимание влияния µg и других космических стрессоров на рост и развитие растений является необходимым условием для успешного создания долговременных BLSS для колонизации внеземного пространства или длительных космических полетов, особенно в отношении сроков прохождения стадий развития и приспособленности растений в нескольких поколениях.

Эксперименты на китайской космической лаборатории Tiangong-2 показали, что время цветения Arabidopsis thaliana (экотип Columbia), пророщенной и выращенной в условиях µg , задерживается на 20 дней по сравнению с контрольными растениями на земле. У арабидопсиса время цветения контролируется циркадным часовым механизмом, который объединяет информацию о фотопериоде и температуре, вызывая экспрессию FLOWERING LOCUS T (FT) в листьях, после чего он переносится в апикальную меристему побега, способствуя образованию цветка вместе с SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO1 (SOC1), который локально вырабатывается в ответ на накопление FT. С помощью камерного наблюдения за трансгенными растениями, экспрессирующими GFP под действием FT-промотора, было отмечено значительное смещение пика экспрессии FT. Последующий транскриптомный анализ выявил группу дифференциально экспрессируемых генов, связанных со временем цветения, которые являются интеракторами FT и SOC1. Таким образом, FT и SOC1 могут интегрировать стимулы, связанные с космическими полетами, на пути, регулирующем цветение [230]. Однако в другом эксперименте той же группы растения, доставленные в космическую лабораторию уже после того, как они достигли стадии розетки, не показали такой задержки [231]. Напротив, эксперименты по выращиванию растений в японском модуле Kibo на МКС описывают в основном нормальное развитие арабидопсиса в условиях микрогравитации [232]. Исследования развития, проведенные в прошлом, также подтверждают идею беспрепятственного завершения жизненного цикла арабидопсиса в условиях космического полета [233-235].

В Системе производства овощей на борту МКС было проведено исследование экотипов Arabidopsis Columbia и Wassilewskija с целью анализа поведения корневой системы и транскриптомных различий между двумя экотипами и двумя мутантами [236]. SPIRAL1 (SPR1) является регулятором динамики кортикальных микротрубочек и участвует в skewing (закручивании). Количество дифференциально регулируемых транскриптов во время космического полета у мутанта spr1 было значительно меньше, чем у дикого типа Columbia, что свидетельствует о более эффективной реакции адаптации у мутанта spr1. Мутантная линия sku5, лишенная связанного с перекосом липидного с плотиком ассоциированного белка SKU5, отреагировала на космический полет увеличением числа дифференциально регулируемых транскриптов в 2-5 раз по сравнению с диким типом на фоне Wassilewskija. Обогащение онтологии генов выявило различные реакции на стресс в окружающей среде, включая ABA и ROS-сигнализацию, среди наиболее обогащенных категорий [236], которые были обнаружены и у других экотипов [237]. Если мутант spr1 быстрее адаптируется к условиям космического полета, то мутант sku5 затрачивает больше ресурсов в процессе адаптации. SKU5 участвует в реорганизации плазматической мембраны в ответ на стресс, что требует активации альтернативных путей при его потере.

Приведенные выше результаты не свидетельствуют о наличии четкого консенсуса в отношении влияния космического полета на развитие растений, а ограниченная информация о переносе влияния между поколениями требует дальнейшего изучения долгосрочной жизнеспособности растений в условиях космического полета. Однако важность стрессовой адаптации к космическому полету становится очевидной, и следующие шаги должны включать выявление и характеристику специфических регуляторов стрессовой реакции, реагирующих на космический полет.

Ремоделирование клеточной стенки - важнейший процесс роста растений, на который, согласно последним данным, оказывают большое влияние измененные гравитационные условия.

Повторный анализ транскриптомных наборов данных арабидопсиса, выращенного на МКС, с использованием новой комбинации граф-теоретических инструментов для создания генных регуляторных сетей позволил выявить список генов-кандидатов, оказывающих регуляторное воздействие на большую группу мишеней. Среди этих генов-концентраторов - представители семейства ксилоглюкановых эндо-трансгликозилаз/гидролаз (XTHs), которые непосредственно участвуют в ремоделировании клеточной стенки, удлинении роста и даже в перекосе [238].

У проростков арабидопсиса, подвергнутых дробной гравитации в Европейской модульной системе культивирования (EMCS) на МКС, около 100 дифференциально регулируемых транскриптов имели паттерны, соответствующие градиенту силы тяжести. Наиболее обогащенными категориями онтологии генов оказались транскрипционная регуляция, реакция на тепловой стресс и организация клеточной стенки [239]. В аналогичном исследовании с добавлением синего светового стимула также было обнаружено обогащение категорий клеточной стенки и стресса по градиенту силы тяжести [240]. Транскриптомные исследования проростков арабидопсиса в аппаратуре Biological Research In Canisters (BRIC) на борту МКС показали соответствующие результаты. Пероксидазы, вероятно, играющие роль в ремоделировании клеточной стенки, постоянно снижались у растений дикого типа разных экотипов [237]. Аналогичным образом были обогащены гены, участвующие в различных путях смягчения стресса, таких как репарация ДНК, температурный, световой и окислительный стресс [237,241]. При этом белки и факторы теплового шока оказались в числе наиболее часто повышаемых генов, несмотря на то, что температура в ходе эксперимента жестко контролировалась, что позволяет предположить, что их роль в других стрессовых реакциях обусловила их индукцию [237].

Эксперименты с побегами риса, проведенные в экспериментальном центре клеточной биологии (CBEF) на МКС, подтвердили снижение содержания глюканов, являющихся составной частью клеточной стенки различных культур, в сочетании с транскрипционной регрессией глюканазы, которая расщепляет глюканы в клеточной стенке в условиях микрогравитации [242]. Кроме того, регуляция реорганизации клеточной стенки была подтверждена в калли риса на борту китайского космического корабля Shenzhou-8 [243].

Стабильность клеточной стенки, поддерживаемая метилэстеразой пектина (PME), подвержена влиянию микрогравитации, что было показано на проростках Arabidopsis в условиях имитации микрогравитации и реальной микрогравитации [244]. Активность PME снижалась под действием моделируемой микрогравитации, вызванной клиностатом, а транскрипционный анализ выявил пониженную регуляцию AtPMEPCRA и, таким образом, возможный регулятор активности PME. Проростки мутанта atpmepcra, выращенные на восстанавливаемом спутнике SJ-10 в течение 11 дней, имели замедленный рост листьев по сравнению с контролем дикого типа в условиях микрогравитации, что указывает на роль AtPMEPCRA в эффектах роста, вызванных микрогравитацией. Интересно, что адаптации, приобретенные в условиях микрогравитации, передались поколению F1, выращенному на Земле, и проявились в виде изменений в картине метилирования ДНК локуса AtPMEPCRA. Несмотря на то, что в поколении F2 [244] это изменение было утрачено, неоднократно наблюдались изменения в картине метилирования ДНК после космического полета у арабидопсиса и сои [245-248].

Комбинированный транскриптомный и протеомный анализ трехдневных этиолированных проростков арабидопсиса в аппаратуре BRIC на МКС продемонстрировал показательную регуляцию процессов, связанных с клеточной стенкой. Белки, участвующие в модификации ксилозы, такие как упомянутые выше XTH, были повышены, а транскрипты, относящиеся к той же категории, - понижены [249]. Кроме того, наблюдалась дифференциальная транскрипция генов и фосфорилирование белков, участвующих в транспорте ауксина (PIN, LAX) и ответе на него (IAA, ARF, TIR1-семейство), что представляет собой первичный гравитропный ответ растений, направленный на модуляцию распределения ауксина в тканях. Дифференциальное фосфорилирование АТФазы плазматической мембраны AHA2 [249] подтверждает предположение о том, что AHA2 участвует в удлинении клеток за счет подкисления клеточной стенки в ответ на ауксиновый стимул [250].

Несвязанная регуляция транскриптов и белков была обнаружена также в пластидах растительных клеток. У наземных контрольных растений менее 1% дифференциально регулируемых транскриптов имеют пластидное происхождение. Однако при воздействии µg доля дифференциально регулируемых транскриптов пластидного происхождения возрастает до 25%. Этот сдвиг не проявлялся на уровне белков, и, учитывая, что многие из обогащенных категорий связаны с метаболизмом хлоропластов и биосинтезом хлорофилла, несмотря на то, что растения выращивались в темноте, это свидетельствует о дисрегуляции функции пластид [249]. Аналогичные наблюдения были сделаны в тех же темновых условиях, а также при использовании стимулов красного и синего света [251,252]. Дисфункция митохондрий в условиях микрогравитации была зафиксирована у человека [253] и дрозофилы [254] и, наряду с последними данными по пластидам растений, может свидетельствовать о консервативной стрессовой реакции на µg в органеллах эндосимбиотического происхождения.

Многочисленные признаки указывают на важность регуляторных механизмов в реакции растений на микрогравитацию. Обратные соотношения между количеством транскриптов и белков под действием µg свидетельствуют о пост-транскрипционной или трансляционной регуляции соответствующих генов [249]. Повышение уровня decapping protein 5 5 (DCP5) и белка сайленсинга РНК ARGONAUTE 4 (AGO4) может свидетельствовать об увеличении оборота РНК и при замалчивании генов, опосредованном siRNA, при воздействии µg [249]. Дифференциальное фосфорилирование белков сплайсинга РНК и анализ обилия изоформ транскриптов свидетельствуют о прямом влиянии микрогравитации на механизмы альтернативного сплайсинга РНК [249,255]. В том же наборе данных под действием µg на уровне транскриптов обогащаются пути деградации белков [249].

Эти результаты наглядно демонстрируют влияние космического полета на многие уровни регуляции и показывают, что мультиомический подход может дать более надежные данные, что уже является стандартом в других областях растительного мира [256]. Анализ транслятомf должен устранить несоответствие между транскриптомными и протеомными данными. Треть всех транскриптов арабидопсиса содержит по крайней мере одну открытую рамку считывания (uORF), что открывает широкие возможности для трансляционной регуляции [257]. Регуляция трансляции с помощью uORF, по крайней мере частично, контролируется фосфорилированием факторов инициации, опосредованным мишенью рапамицина (TOR), что способствует или препятствует повторной инициации на расположенных ниже по течению основных ORF [258], которая, как было показано, запускается в условиях µg [249].

Исследования, показывающие эффекты, якобы вызванные µg , могут быть связаны с особенностями среды космического полета, насыщенной абиотическими стрессорами, такими как радиация, вибрация, перепады температур и отсутствие конвекции, которые могут вызывать различные отклонения, не связанные с µg ; их краткое описание приведено в [259]. Проведение экспериментов в космосе - невероятно сложная задача, и прошлые эксперименты справедливо критиковались за плохие условия контроля [229]. К счастью, в некоторых последних космических экспериментах для обеспечения надлежащего контроля 1g на борту используются центрифуги, как, например, в EMCS и CBEF. Другие подходы включают документирование условий окружающей среды во время эксперимента в космосе и их воссоздание на земле во время контрольного прогона, при этом не учитываются такие стрессовые факторы, как космическое излучение и жесткие условия во время загрузки и извлечения образцов. Для будущего планирования необходимо реализовать бортовые системы контроля 1g, наземные системы контроля и наземные имитационные системы контроля µg для обеспечения надежности и достоверности получаемых данных [260]. Заслуживает внимания стратегия измерения влияния аппаратуры и процедур на организм и учета этого влияния при оценке данных, полученных в ходе космического полета [249].

Наиболее важные публикации, посвященные изменениям регуляции генов у растений, подвергшихся воздействию микрогравитации, приведены в табл. 10.

Таблица 10. Изменения экспрессии генов у различных растительных организмов в ответ на космический полет. Указано использование бортовых (FC) или наземных (GC) контролей.

Получены новые сведения о влиянии µg и космических полетов на прокариотические и эукариотические организмы, растения и млекопитающих, включая грызунов и человека. Космические путешественники подвергаются повышенному риску инфицирования. Размножение бактерий, образование биопленок и экспрессия генов вирулентности у бактерий усиливаются, в то время как иммунная система человека, напротив, оказывается подорванной в космосе. Исследования также выявили существенные различия в иммунном ответе клеток человека, инфицированных Salmonella typhimurium в космосе и на Земле. Наблюдаемая дисрегуляция иммунной системы смещает нормальный сбалансированный микробиом кишечника в сторону больного биома кишечника, возможно, из-за клеточного стресса.

Сложное взаимодействие других организмов, помимо бактерий, таких как археи, вирусы и грибы, в кишечнике играет важнейшую роль в здоровье и самочувствии космических путешественников. Однако вопрос о том, влияет ли µg на это сложное взаимодействие, требует дальнейшего изучения. Было установлено, что в условиях µg увеличивается вирулентность и повышается устойчивость к антибиотикам некоторых патогенных бактерий. В других исследованиях сообщалось о снижении вирулентности других штаммов бактерий. Объяснением разногласий могут быть эпигенетические изменения, вносимые как µg , так и космической средой.

Кроме того, исследования на Caenorhabditis elegans показали, что некоторые гены подавляются эпигенетически, что подтверждает предыдущие результаты, свидетельствующие о снижении регуляции генов, связанных с продолжительностью жизни и метаболизмом. Важно отметить, что воздействие s-µg на Caenorhabditis elegans вызывает повреждение окислительным стрессом и адаптацию инсулиновых сигнальных путей в кишечнике, что также может быть интересно в отношении кишечной системы человека.

Растет количество данных, полученных в экспериментах на сетчатке глаза человека и мышей, подвергшихся воздействию µg . У мышей, подвергшихся воздействию МКС, индукция апоптоза в сетчатке, особенно в сосудистых эндотелиальных клетках, по-видимому, является повторяющейся находкой. Многочисленные данные также указывают на то, что космическая среда провоцирует окислительное повреждение сетчатки и уменьшает толщину нескольких слоев сетчатки. Кроме того, в сетчатке мышей, летавших на МКС, дифференциально экспрессировались гены, связанные с диабетической ретинопатией. В целом космический полет, по-видимому, запускает эпигенетическое и транскриптомное перепрограммирование в глазу, влияя на воспаление, окислительный стресс, ангиогенез и макулярную дегенерацию. Наконец, в результате новых исследований было выявлено участие цитоскелетного ремоделирования в клетках ARPE-19, подвергшихся воздействию µg , и установлено, что виментин является основным участником этого процесса [99], что еще раз подтверждает патогенез, лежащий в основе SANS.

В микрососудистых ECs, подвергшихся воздействию µg , наблюдалась значительная дерегуляция генов, приводящая к активации путей метаболизма и пропролиферативного фенотипа. Наиболее часто в ECs после космического полета повышается уровень гена TXNIP, кодирующего основной регулятор клеточной окислительно-восстановительной сигнализации, который защищает клетки от окислительного стресса. Дерегуляция миРНК позволила предположить, что HUVEC, подвергшиеся воздействию s-µg, могут быть защищены от апоптоза. Однако в параллельных исследованиях было обнаружено снижение экспрессии анти-апоптотического белка BCL2. µg изменяет экспрессию миРНК и интерактом миРНК, что позволяет предположить, что µg влияет на пролиферацию и сосудистую функцию ECs. Наконец, ряд генов дифференциально регулируется в адгезивной и сфероидной популяциях, что позволяет предположить, что µg может быть основной причиной 3D-агрегации ECs.

В хондроцитах наблюдалось несколько дифференциально экспрессируемых генов, что свидетельствует о том, что разгрузка влияет на поддержание фенотипа, HIF-сигнализацию и VEGF-сигнализацию. Некоторые гены регулировались в противоположных направлениях, что, вероятно, отражает различия в выборке. По-видимому, многие гены были изменены в зависимости от пола, что дает представление о возможных мишенях для лечения остеоартроза.

Несколько исследований на мышах, изучавших воздействие r-µg на мышечную ткань, показали (i) что многие гены дифференциально экспрессируются в различных мышечных тканях, (ii) что в транскриптоме мышц в ответ на воздействие µg происходит альтернативный сплайсинг, и (iii) что затронутые биологические процессы могут стать мишенями для лечения, разработки контрмер и послеполетной реабилитации.

Как и в случае с хрящом и мышцами, воздействие r-µg изменяло характер экспрессии ряда генов в костной ткани. Полученные результаты показали тесную связь с различными важными процессами, включая остеопороз, резорбцию костной ткани и развитие костей. Кроме того, пониженная гравитация подавляет пролиферацию и дифференцировку клеток. Экспрессия циркРНК была дифференцирована в s-µg, что привело к изменению регуляции актинового цитоскелета, фокальной адгезии и остеогенной дифференцировки.

Реальная микрогравитация и s-µg изменяли поведение раковых клеток человека при росте. Различные авторы продемонстрировали изменение фенотипа раковых клеток, подвергшихся воздействию µg. Одна часть клеток, культивируемых на устройствах, имитирующих µg , продолжала расти адгезивно, а другая отделялась и формировала органоиды или многоклеточные сфероиды (табл. 9). Исследования, посвященные изучению механизмов, лежащих в основе формирования сфероидов, могут улучшить наше представление о прогрессии рака in vivo, EMT и метастазировании [215]. Кроме того, общие результаты включают изменения в генной регуляции факторов цитоскелета, интегринов, внеклеточного матрикса, фокальных адгезий, клеточной адгезии, апоптоза, выживания, миграции, дифференцировки и роста.

Наконец, выявление основных регуляторов µg -ответа и характеристика генов, влияющих на развитие растений, являются важными шагами для расширения нашего понимания поведения растений на Земле и улучшения их пригодности для использования в космосе. Ремоделирование клеточной стенки и пластидный метаболизм являются процессами, на которые оказывается значительное влияние, и, учитывая их важнейшую роль в здоровье и росте растений, представляют собой прекрасные мишени для дальнейших исследований. Об открывшемся потенциале пост-транскрипционной и трансляционной регуляции во время космического полета свидетельствуют немногочисленные, но повторяющиеся расхождения между транскриптомными и протеомными данными. Важно отметить, что мультиомические подходы являются наиболее подходящим инструментом для выявления влияния космического полета на трансляцию.

Мы живем в эпоху освоения космоса. В результате мы получаем новую информацию, расширяющую наши современные знания о космосе. Исследования на МКС, новой китайской космической станции, в открытом космосе (Луна и Марс), в экстремальных условиях, имитационные эксперименты µg вместе с новыми молекулярно-биологическими методами, такими как OMICs, могут определить риски для здоровья космического путешественника и способствовать охране здоровья и разработке адекватных мер противодействия. Эти данные, полученные во время космических полетов, могут помочь трансляционной медицине на Земле.