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

La gravità è la mano invisibile che modella la vita sulla Terra. Essa preme sui nostri corpi, attirando i fluidi verso i piedi e costringendo il nostro cuore a lavorare contro un peso costante e familiare. Quando gli astronauti lasciano questo ambiente ed entrano nella microgravità dello spazio, quella pressione svanisce. I loro corpi, evoluti per un mondo di costante attrazione, devono improvvisamente adattarsi a uno stato di assenza di peso. Questo spostamento causa un afflusso di fluidi verso la testa e il torace, alterando il modo in cui il cuore pompa e come il sangue circola. Sebbene gli scienziati studino da tempo come il corpo umano cambi dopo settimane o mesi nello spazio, i primissimi momenti di questa transizione rimangono un mistero. Sappiamo che il corpo alla fine si adegua, ma non comprendiamo appieno i segnali immediati che dicono a una cellula cardiaca di cambiare il proprio ritmo nell'istante in cui la gravità muta.

Per catturare questi momenti fugaci, i ricercatori si sono rivolti a un laboratorio unico: il volo parabolico. Si tratta di una specifica traiettoria di volo in cui un aereo sale ripida e poi si tuffa, creando brevi raffiche di assenza di peso seguite da periodi di intensa gravità. È un modo a terra per simulare le forze mutevoli dello spazio senza lasciare l'atmosfera. In uno studio recente, gli scienziati hanno utilizzato questo metodo per osservare come piccoli cluster tridimensionali di cellule cardiache reagissero a questi rapidi cambiamenti. Volevano vedere se il cuore potesse percepire e rispondere ai cambiamenti di gravità entro pochi minuti e, in tal caso, quali messaggi molecolari venissero inviati all'interno delle cellule per far sì che ciò accadesse.

Il team ha coltivato questi cluster cardiaci, noti come organoidi cardiaci, da cellule staminali embrionali di topo. Questi non sono semplici fogli piatti di cellule, ma piccole sfere auto-organizzanti che mimano la struttura di un vero cuore, completi di ritmi battenti e della capacità di pompare fluidi. I ricercatori hanno lasciato crescere questi organoidi per diversi giorni fino a raggiungere diversi stadi di maturazione. Alcuni erano giovani e stavano appena iniziando a battere, mentre altri erano più sviluppati e battevano regolarmente. Hanno poi portato questi campioni viventi su un volo a bordo di un Airbus A310, dove l'aereo ha eseguito trentuno manovre paraboliche. Ogni manovra creava un ciclo di circa ventidue secondi di assenza di peso, racchiuso tra periodi di quasi il doppio della gravità terrestre.

Una volta atterrato l'aereo, gli scienziati hanno esaminato immediatamente gli organoidi cardiaci. Hanno confrontato i campioni che avevano volato con campioni identici che erano rimasti a terra sotto una gravità normale. I risultati hanno mostato che le cellule cardiache non sono rimaste semplicemente passive durante il volo; hanno reagito rapidamente, ma solo se erano abbastanza mature. Gli organoidi più giovani, che erano solo al terzo giorno del loro sviluppo, non hanno mostrato alcun cambiamento nel loro comportamento. Tuttavia, gli organoidi più vecchi, più maturi, di otto e nove giorni, hanno risposto con un aumento improvviso e significativo della velocità di battito. La loro frequenza cardiaca è aumentata di quasi il trenta per cento immediatamente dopo il volo. Insieme a questo ritmo più veloce, anche il modo in cui queste cellule gestiscono il calcio — un segnale chimico essenziale per la contrazione muscolare — è cambiato. I segnali del calcio sono diventati più forti e hanno impiegato più tempo a svanire, suggerendo che le cellule stessero lavorando di più per mantenere il proprio ritmo nel passaggio di gravità.

Sebbene il battito fisico del cuore sia cambiato, la forma degli organoidi non lo ha fatto. Sono rimasti della stessa dimensione e struttura, indicando che i drammatici cambiamenti osservati negli astronauti dopo lunghe missioni, come l'atrofia del muscolo cardiaco, sono probabilmente il risultato di un'esposizione a lungo termine piuttosto che di questi spostamenti immediati. La vera sorpresa è arrivata quando i ricercatori hanno guardato dentro le cellule, alle loro istruzioni genetiche. Hanno scoperto che il volo non ha innescato cambiamenti nei geni solitamente associati alla forza del muscolo cardiaco o al metabolismo di base. Invece, ha attivato un set specifico di sei geni che non erano stati precedentemente collegati ai cambiamenti di gravità in questo modo.

Il gene più attivo è quello che produce una proteina chiamata S100g, che aiuta a gestire i livelli di calcio all'interno della cellula. Altri geni che si sono attivati riguardano il funzionamento delle centrali energetiche della cellula, i mitocondri, e il modo in cui la cellula gestisce lo stress e l'infiammazione. Ciò suggerisce che il cuore possieda un sistema di allarme rapido e integrato che rileva i cambiamenti di gravità e adegua immediatamente la propria chimica interna per farvi fronte. Lo studio non ha trovato prove che questi cambiamenti fossero causati dalle vibrazioni dell'aereo o dal rumore del volo, poiché i campioni di controllo a terra erano esposti a una manipolazione simile senza i cambiamenti di gravità; tuttavia, i ricercatori hanno notato che, poiché l'esperimento è stato breve, non potevano vedere se questi cambiamenti avrebbero portato a danni a lungo termine o ad adattamenti, né potevano escludere altri fattori come le radiazioni che gli astronauti affrontano nei veri voli spaziali.

Questo lavoro fornisce una nuova finestra sull'inizio del modo in cui il cuore si adatta allo spazio. Utilizzando questi piccoli modelli di cuore pulsante in un volo parabolico, il team ha dimostrato che la risposta del cuore alla gravità è immediata e dipende da quanto è maturo il tessuto cardiaco. La scoperta di questi geni specifici offre un nuovo elenco di bersagli da studiare, aiutando potenzialmente a comprendere come proteggere il cuore degli astronauti durante le future missioni di lunga durata. Dimostra che, anche prima che un astronauta avverta gli effetti dello spazio, le sue cellule cardiache stanno già inviando segnali, regolando la propria macchina interna per un mondo in cui la gravità non è più una costante.