Parabolic flight-induced gravity variations initiate acute functional and transcriptional responses in cardiac organoids

الجاذبية هي اليد الخفية التي تشكل الحياة على الأرض. فهي تضغط على أجسادنا، وتجذب السوائل نحو أقدامنا وتحافظ على عمل قلوبنا ضد وزن ثابت ومألوف. وعندما يغادر رواد الفضاء هذه البيئة ويدخلون حالة الجاذبية الصغرى في الفضاء، يتلاشى هذا الضغط. ويجب على أجسادهم، التي تطورت لعالم من السحب المستمر، أن تتكيف فجأة مع حالة انعدام الوزن. هذا التحول يتسبب في اندفاع السوائل نحو الرأس والصدر، مما يغير كيفية ضخ القلب وكيفية دوران الدم. وبينما درس العلماء لفترة طويلة كيف يتغير جسم الإنسان بعد أساباء أو أشهر في الفضاء، فإن اللحظات الأولى لهذا التحول تظل لغزاً. نحن نعلم أن الجسم يتكيف في النهاية، لكننا لا نفهم تماماً الإشارات الفورية التي تخبر خلية قلب ما بتغيير إيقاعها في اللحظة التي تتغير فيها الجاذبية.

ولرصد هذه اللحظات العابرة، لجأ الباحثون إلى مختبر فريد: الرحلة المكافئة (parabolic flight). وهذا مسار طيران محدد حيث تصعد الطائرة بشكل حاد ثم تغوص، مما يخلق نوبات قصيرة من انعدام الوزن تليها فترات من الجاذبية الشديدة. وهي طريقة أرضية لمحاكاة القوى المتغيرة للفضاء دون مغادرة الغلاف الجوي. وفي دراسة حديثة، استخدم العلماء هذه الطريقة لمراقبة كيفية تفاعل تجمعات صغيرة ثلاثية الأبعاد من خلايا القلب مع هذه التغيرات السريعة. أرادوا معرفة ما إذا كان القلب يستطيع استشعار والرد على تغيرات الجاذبية في غضون دقائق، وإذا كان الأمر كذلك، فما هي الرسائل الجزيئية التي تُرسل داخل الخلايا لإحداث ذلك.

قام الفريق بتنمية هذه التجمعات القلبية، المعروفة باسم العضويات القلبية (cardiac organoids)، من خلايا جذعية جنينية للفئران. وهي ليست مجرد صفائح مسطحة من الخلايا، بل هي كرات صغيرة ذاتية التنظيم تحاكي بنية القلب الحقيقي، مكتملة بإيقاعات النبض والقدرة على ضخ السوائل. ترك الباحثون هذه العضويات تنمو لعدة أيام حتى وصلت إلى مراحل مختلفة من النضج؛ فبعضها كان شاباً وبدأ للتو في النبض، بينما كان البعض الآخر أكثر تطوراً وينبض بثبات. ثم أخذوا هذه العينات الحية في رحلة على متن طائرة إيرباص A310، حيث قامت الطائرة بـواحد وثلاثين مناورة مكافئة. وقد خلقت كل مناورة دورة من حوالي اثنين وعشرين ثانية من انعدام الوزن، محصورة بين فترات من جاذبية تقارب ضعف جاذبية الأرض.

بمجرد هبوط الطائرة، فحص العلماء العضويات القلبية على الفور. وقارنوا العينات التي حلقت بالعينات المطابقة التي بقيت على الأرض تحت الجاذبية العادية. وأظهرت النتائج أن خلايا القلب لم تكتفِ بالجلوس سلبية خلال الرحلة؛ بل تفاعلت بسرعة، ولكن فقط إذا كانت ناضجة بما يكفي. أما العضويات الأصغر سناً، والتي كانت في اليوم الثالث فقط من تطورها، فلم تظهر أي تغيير في سلوكها. ومع ذلك، فإن العضويات الأكبر والأكثر نضجاً، والتي كان عمرها ثمانية وتسعة أيام، استجابت بزيادة مفاجئة وكبيرة في سرعة نبضها؛ حيث قفز معدل ضربات قلبها بنسبة تقارب ثلاثين بالمائة مباشرة بعد الرحلة. وإلى جانب هذا الإيقاع الأسرع، تغيرت الطريقة التي تتعامل بها هذه الخلايا مع الكالسيوم — وهو إشارة كيميائية ضرورية لانقباض العضلات — حيث أصبحت إشارات الكالسيوم أقوى واستغرقت وقتاً أطول لتتلاشى، مما يشير إلى أن الخلايا كانت تعمل بجهد أكبر للحفاظ على إيقاعها في ظل الجاذبية المتغيرة.

وبينما تغير النبض الفيزيائي للقلب، لم يتغير شكل العضويات؛ فقد ظلت بنفس الحجم والبنية، مما يشير إلى أن التغيرات الدراماتيكية التي يمر بها رواد الفضاء بعد المهمات الطويلة، مثل ضمور عضلة القلب، هي على الأرجح نتيجة للتعرض طويل الأمد وليس لهذه التحولات الفورية. والمفاجأة الحقيقية جاءت عندما نظر الباحثون داخل الخلايا إلى تعليماتها الجينية؛ حيث وجدوا أن الرحلة لم تحفز التغييرات في الجينات المرتبطة عادةً بقوة عضلة القلب أو التمثيل الغذائي الأساسي. بدلاً من ذلك، قامت بتنشيط مجموعة محددة من ستة جينات لم يسبق ربطها بتغيرات الجاذبية بهذه الطريقة.

وكان الجين الأكثر نشاطاً هو الذي ينتج بروتيناً يسمى S100g، والذي يساعد في إدارة مستويات الكالسيوم داخل الخلية. أما الجينات الأخرى التي تنشطت فكانت مرتبطة بكيفية عمل محطات الطاقة في الخلية، وهي الميتوكوندريا، وكيفية تعامل الخلية مع الإجهاد والالتهاب. وهذا يشير إلى أن القلب يمتلك نظام إنذار داخلي سريع يكتشف تغيرات الجاذبية ويعدل كيميائه الداخلية فوراً للتكيف معها. لم تجد الدراسة دليلاً على أن هذه التغييرات كانت ناجمة عن اهتزاز الطائرة أو ضجيج الرحلة، حيث تعرضت عينات التحكم على الأرض لمعاملة مماثلة دون تغيرات الجاذبية. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أنه نظراً لقصر مدة التجربة، لم يتمكنوا من معرفة ما إذا كانت هذه التغييرات ستؤدي إلى ضرر طويل الأمد أو تكيف، كما لم يتمكنوا من استبعاد عوامل أخرى مثل الإشعاع الذي يواجهه رواد الفضاء في رحلات الفضاء الفعلية.

يوفر هذا العمل نافذة جديدة على البداية الفعلية لكيفية تكيف القلب مع الفضاء. فمن خلال استخدام هذه النماذج القلبية النابضة الصغيرة في رحلة مكافئة، أثبت الفريق أن استجابة القلب للجاذبية فورية وتعتمد على مدى نضج الأنسجة القلبية. إن اكتشاف هذه الجينات المحددة يقدم قائمة جديدة من الأهداف للعلماء لدراستها، مما قد يساعدهم في فهم كيفية حماية قلوب رواد الفضاء خلال مهمات المستقبل طويلة الأمد. إنه يظهر أنه حتى قبل أن يشعر رائد الفضاء بآثار الفضاء، فإن خلايا قلبه ترسل بالفعل إشارات، وتعدل آلياتها الداخلية لعالم لم تعد فيه الجاذبية ثابتة.