Việc du hành không gian kéo dài đang trở thành một mục tiêu quan trọng của nhân loại, đặc biệt khi các sứ mệnh lên Mặt Trăng , Sao Hỏa và xa hơn nữa đang được các cơ quan vũ trụ trên toàn cầu lên kế hoạch. Tuy nhiên, với những lợi ích khoa học và kỹ thuật mà việc khám phá không gian mang lại, các nhà khoa học cũng phải đối diện với một loạt các thách thức về sinh lý học. Một trong những vấn đề lớn nhất là tác động tiêu cực của môi trường vi trọng lực đối với cơ thể con người, trong đó có sức khỏe tim mạch.
Trước đây, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi con người sống trong môi trường không trọng lực kéo dài, các cơ quan trong cơ thể có thể gặp nhiều thay đổi. Từ teo cơ, mất mật độ xương, thay đổi thị lực, cho đến các vấn đề tâm lý, tất cả đều đã được ghi nhận ở các phi hành gia trở về từ Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Giờ đây, một nghiên cứu mới được dẫn dắt bởi các nhà khoa học tại Đại học Johns Hopkins đã đưa ra một phát hiện đáng lo ngại: Trái tim của con người cũng bị suy yếu khi sống trong không gian.
Thí nghiệm đặc biệt trên ISS
Nghiên cứu này được thực hiện trên các mẫu mô tim kỹ thuật sinh học của con người. Trong thí nghiệm, 48 mẫu mô được gửi đến Trạm Vũ trụ Quốc tế trong 30 ngày để kiểm tra xem tác động của vi trọng lực ảnh hưởng đến các tế bào cơ tim như thế nào. Điều này có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách mà tim hoạt động trong môi trường không trọng lực và những thay đổi nào có thể xảy ra ở cấp độ tế bào và phân tử.
Kết quả cho thấy, khi ở trong môi trường vi trọng lực, các tế bào cơ tim không chỉ trở nên yếu hơn, mà còn khó duy trì được nhịp đập nhịp nhàng. Các tế bào tim phát triển tình trạng rối loạn nhịp tim – một triệu chứng phổ biến thường thấy ở những người mắc các vấn đề về tim mạch liên quan đến tuổi tác. Đáng chú ý, những thay đổi này diễn ra chỉ sau một khoảng thời gian ngắn tiếp xúc với môi trường không gian, điều này cho thấy rằng vi trọng lực có thể gây tác động mạnh mẽ đến sức khỏe tim mạch hơn so với những gì chúng ta tưởng.
"Trái tim trên chip" và nền tảng công nghệ
Nhóm nghiên cứu do Deok-Ho Kim, giáo sư Khoa Kỹ thuật Y sinh tại Đại học Johns Hopkins, cùng các cộng sự của mình phát triển nền tảng "trái tim trên chip" để phục vụ cho thí nghiệm này. Nền tảng này sử dụng các tế bào gốc đa năng do con người tạo ra, có khả năng biến thành nhiều loại tế bào khác nhau, bao gồm cả tế bào cơ tim. Các tế bào này được đặt vào một con chip kỹ thuật sinh học thu nhỏ, mô phỏng cách mà một trái tim người trưởng thành hoạt động.
Sau đó, các chip mô tim này được đưa lên ISS trên một chuyến bay của SpaceX vào tháng 3/2020. Tại đây, phi hành gia Jessica Meir đã thay mặt nhóm nghiên cứu chăm sóc thí nghiệm, duy trì các điều kiện sống cho các mô tim bằng cách thay đổi các chất dinh dưỡng xung quanh chúng hàng tuần. Các mẫu mô cũng được bảo quản để phân tích gen và hình ảnh khi chúng trở về Trái Đất , cho phép nhóm nghiên cứu thu thập dữ liệu đầy đủ về cách vi trọng lực ảnh hưởng đến sự co bóp và hoạt động nhịp nhàng của tim.
Thí nghiệm này là một bước tiến lớn trong nghiên cứu sức khỏe tim mạch trong không gian. Không giống các thí nghiệm trước đây chỉ tập trung vào ảnh hưởng sinh lý học của vi trọng lực lên cơ thể phi hành gia, lần này nhóm nghiên cứu tập trung vào cấp độ tế bào và phân tử, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách mà môi trường không gian tác động đến chức năng cơ tim.
Kết quả bất ngờ
Dữ liệu từ thí nghiệm "trái tim trên chip" cho thấy rằng trong môi trường vi trọng lực, các tế bào cơ tim mất đi khả năng co bóp mạnh mẽ như trên Trái Đất . Các mẫu mô phát triển tình trạng rối loạn nhịp tim, với thời gian giữa các nhịp đập kéo dài gần năm lần so với nhịp đập bình thường của một trái tim khỏe mạnh. Điều này đặc biệt đáng lo ngại vì nó cho thấy rằng không chỉ sức mạnh cơ tim bị suy giảm, mà chức năng nhịp điệu của trái tim cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Một trong những phát hiện quan trọng khác là các bó protein trong tế bào cơ tim, được gọi là sarcomere – chịu trách nhiệm cho việc co bóp của cơ tim – trở nên ngắn hơn và ít có tính tổ chức hơn so với các tế bào đối chứng. Đây là một dấu hiệu cho thấy trái tim bị tổn thương, tương tự như những gì thường thấy ở các bệnh nhân mắc bệnh tim mạch liên quan đến tuổi già.
Ngoài ra, ty thể – bộ phận sản xuất năng lượng trong tế bào – của các mẫu mô tim trở nên lớn hơn, tròn hơn và mất đi các nếp gấp đặc trưng, làm gián đoạn quá trình sản xuất năng lượng. Việc giảm khả năng sản xuất năng lượng này có thể giải thích tại sao các tế bào cơ tim bị suy yếu đáng kể trong môi trường vi trọng lực.
Không dừng lại ở đó, các mẫu mô tim còn cho thấy sự gia tăng các dấu hiệu viêm và stress oxy hóa, đặc biệt là sự mất cân bằng giữa các gốc tự do và chất chống oxy hóa. Những dấu hiệu này không chỉ cho thấy tác động của vi trọng lực mà còn phù hợp với những gì chúng ta biết về sự lão hóa và bệnh tim mạch trên Trái Đất .
Ứng dụng và tương lai
Những phát hiện từ thí nghiệm này có ý nghĩa quan trọng cho cả sức khỏe phi hành gia lẫn nghiên cứu y khoa trên Trái Đất . Đầu tiên, chúng giúp mở rộng hiểu biết của chúng ta về cách mà vi trọng lực ảnh hưởng đến cơ thể con người, đặc biệt là sức khỏe tim mạch. Điều này sẽ giúp các cơ quan vũ trụ, như NASA, phát triển các biện pháp bảo vệ sức khỏe cho các phi hành gia trong những sứ mệnh dài hạn trong tương lai.
Vào năm 2023, phòng thí nghiệm của Kim đã gửi thêm một lô mẫu mô tim khác lên ISS để thử nghiệm các loại thuốc có thể bảo vệ cơ tim khỏi tác động tiêu cực của vi trọng lực. Đây là một bước tiến quan trọng, không chỉ giúp duy trì sức khỏe tim mạch cho các phi hành gia, mà còn có thể mở ra các liệu pháp mới để chữa trị bệnh tim mạch cho những người trên Trái Đất .
Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu của Kim cũng hợp tác với NASA để nghiên cứu tác động của bức xạ không gian lên sức khỏe tim mạch. Bức xạ từ tia vũ trụ và mặt trời là một trong những nguy cơ lớn mà các phi hành gia sẽ phải đối mặt khi di chuyển ra khỏi quỹ đạo Trái Đất , nơi từ trường của hành tinh bảo vệ họ khỏi phần lớn bức xạ vũ trụ. Hiểu rõ tác động của bức xạ này sẽ giúp các nhà khoa học phát triển những biện pháp phòng ngừa và bảo vệ cho sức khỏe tim mạch của phi hành gia trong các sứ mệnh ngoài không gian.
Nghiên cứu mới về tác động của vi trọng lực lên sức khỏe tim mạch cho thấy rằng việc sống trong không gian dài hạn không chỉ ảnh hưởng đến cơ thể một cách bề ngoài mà còn có tác động sâu sắc đến cấp độ tế bào. Những thay đổi về chức năng và cấu trúc của cơ tim trong môi trường không gian đặt ra thách thức lớn cho các sứ mệnh khám phá ngoài Trái Đất , nhưng đồng thời cũng mở ra cơ hội mới để nghiên cứu và phát triển các liệu pháp mới cho bệnh tim mạch trên Trái Đất .
Sự tiến bộ trong công nghệ sinh học, kỹ thuật mô và y học vũ trụ không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe cho các phi hành gia mà còn có thể mang lại những tiến bộ lớn trong y học cho toàn nhân loại. Với những khám phá quan trọng này, tương lai của du hành không gian sẽ ngày càng an toàn và hiệu quả hơn, đưa con người tiến gần hơn đến việc chinh phục các hành tinh xa xôi.
