

Stasiun Luar Angkasa Internasional di atas planet bumi. Elemen gambar ini melengkapi NASA. (ID 200693085 © Andreyi Armiagov | Dreamstime.com)
LA JOLLA, California — Dalam kemajuan ilmiah yang signifikan yang menjembatani eksplorasi ruang angkasa dan ilmu saraf, para peneliti telah menemukan bahwa sel-sel otak manusia berkembang secara berbeda di lingkungan luar angkasa yang tidak berbobot dibandingkan dengan di Bumi. Meskipun para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa gayaberat mikro memengaruhi otot, tulang, sistem kekebalan tubuh, dan kognisi, hingga saat ini masih sedikit yang memahami dampak spesifiknya terhadap otak. Penelitian ini memberikan pemahaman baru tentang bagaimana otak manusia beradaptasi selama perjalanan ruang angkasa, dan bahkan dapat menawarkan perspektif baru untuk mempelajari penyakit neurologis seperti Parkinson dan multiple sclerosis.
Penelitian yang dipublikasikan di Pengobatan Translasi Sel Indukmendokumentasikan keberhasilan pertumbuhan dan analisis pertama model jaringan otak manusia – yang disebut organoid saraf – di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS). Kelompok sel otak tiga dimensi ini, berukuran diameter beberapa ratus mikrometer, menghabiskan 30 hari di orbit sekitar 250 mil di atas permukaan bumi dalam apa yang disebut para ilmuwan sebagai gayaberat mikro.
Tim peneliti menciptakan organoid ini menggunakan sel induk berpotensi majemuk yang diinduksi manusia (iPSCs) – sel dewasa yang telah diprogram ulang untuk mendapatkan kembali kemampuan berkembang menjadi jenis sel yang berbeda. Mereka mengembangkan dua jenis organoid saraf yang berbeda: beberapa mengandung sel yang serupa dengan yang ditemukan di korteks otak (lapisan luar yang terlibat dalam pemikiran dan memori), dan lainnya mengandung neuron penghasil dopamin, yang biasanya terpengaruh pada penyakit Parkinson.
Penelitian ini melibatkan sel-sel dari empat orang – dua donor sehat dan dua pasien dengan kondisi neurologis (satu dengan penyakit Parkinson dan satu dengan multiple sclerosis progresif primer). Untuk membuat model lebih komprehensif, para peneliti menambahkan sel kekebalan yang disebut mikroglia ke setengah dari organoid untuk mengamati bagaimana sistem kekebalan otak dapat berfungsi di lingkungan luar angkasa.


Inovasi utama adalah metode yang dikembangkan untuk mempertahankan struktur halus ini selama penerbangan luar angkasa. Organoid biasanya tumbuh dalam cairan kaya nutrisi yang harus diganti secara teratur untuk memberikan nutrisi dan membuang produk limbah. Untuk menghindari perlunya pekerjaan laboratorium di ISS, tim peneliti memelopori metode menumbuhkan organoid yang lebih kecil dari biasanya dalam cryovial—wadah kecil kedap udara yang awalnya dirancang untuk pembekuan dalam. Setiap organoid disegel dalam botol berisi satu mililiter media pertumbuhan yang diformulasikan khusus.
Organoid tersebut disiapkan di laboratorium di Stasiun Luar Angkasa Kennedy dan diluncurkan ke ISS dalam inkubator mini. “Fakta bahwa sel-sel ini bertahan di luar angkasa merupakan kejutan besar,” kata Jeanne Loring, PhD, profesor emeritus di Departemen Kedokteran Molekuler dan direktur pendiri Pusat Pengobatan Regeneratif di Scripps Research, dalam sebuah pernyataan.
Saat menganalisis organoid yang dikembalikan, para peneliti menemukan perbedaan nyata antara sampel yang dihasilkan di luar angkasa dan sampel yang ada di Bumi. “Kami menemukan bahwa pada kedua jenis organoid, profil ekspresi gen merupakan karakteristik dari tahap perkembangan yang lebih tua dibandingkan yang ada di lapangan,” kata Loring. “Dalam gayaberat mikro, mereka berkembang lebih cepat, namun sangat penting untuk mengetahui bahwa ini bukanlah neuron dewasa, jadi ini tidak memberi tahu kita apa pun tentang penuaan.”
Tim peneliti menemukan bahwa ketika ditempatkan di piring laboratorium setelah kembali ke Bumi, sel-sel ini menunjukkan kelangsungan hidupnya dengan memperluas jaringan serat penghubung yang disebut neurit. Bertentangan dengan apa yang diperkirakan, analisis tersebut menunjukkan sedikit bukti adanya stres seluler atau peradangan pada organoid yang tumbuh di luar angkasa—bahkan, terdapat lebih sedikit peradangan dan ekspresi gen terkait stres yang lebih rendah dibandingkan dengan sampel yang tumbuh di Bumi.


Studi ini mengungkapkan perubahan jalur komunikasi seluler, khususnya sinyal Wnt, yang memainkan peran mendasar dalam perkembangan otak. Para peneliti juga mengamati perubahan protein yang disekresikan oleh sel ke lingkungan sekitarnya, meskipun perubahan ini bervariasi antar jenis organoid.
Khususnya, perubahan seluler ini tampaknya lebih dipengaruhi oleh lingkungan gayaberat mikro dibandingkan radiasi ruang angkasa. Paparan radiasi selama misi 30 hari tersebut adalah sekitar 12 miligray – sebanding dengan apa yang mungkin dialami awak pesawat dalam periode penerbangan jarak jauh yang serupa.
Mengapa sel-sel otak berkembang secara berbeda di luar angkasa? “Karakteristik gayaberat mikro mungkin juga berpengaruh pada otak manusia, karena tidak ada konveksi dalam gayaberat mikro—dengan kata lain, benda tidak bergerak,” kata Loring. “Saya pikir di luar angkasa, organoid ini lebih mirip otak karena mereka tidak disiram dengan sejumlah besar media kultur atau oksigen. Mereka sangat mandiri; mereka membentuk sesuatu seperti otak, mikrokosmos otak.”
Temuan ini berkontribusi pada penelitian eksplorasi ruang angkasa dan potensi aplikasi medis. Memahami bagaimana sel-sel otak merespons gayaberat mikro dapat menginformasikan strategi untuk mendukung kesehatan astronot selama misi luar angkasa yang diperpanjang. Selain itu, mempelajari bagaimana sel-sel ini berkembang secara berbeda di luar angkasa mungkin memberikan perspektif baru untuk menyelidiki kondisi neurologis di Bumi.
Keberhasilan awal ini telah membuka jalan bagi penelitian lanjutan. Sejak misi pertama ini, dan sebelum hasil ini dipublikasikan, tim peneliti telah menyelesaikan empat misi lagi ke ISS, masing-masing mengembangkan temuan awal mereka sambil menambahkan kondisi eksperimental baru. Penelitian di masa depan akan memeriksa wilayah otak yang terkena penyakit Alzheimer dan menyelidiki perbedaan potensial dalam cara neuron terhubung satu sama lain di ruang angkasa.
“Dengan penelitian semacam ini, Anda tidak dapat mengandalkan penelitian sebelumnya untuk memprediksi hasil yang akan diperoleh karena tidak ada penelitian sebelumnya,” catat Loring. “Kami berada di lantai dasar; di langit, tapi di lantai dasar.”
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menghasilkan organoid saraf dari sel induk berpotensi majemuk yang diinduksi manusia, membimbing mereka untuk berkembang menjadi neuron penghasil kortikal atau dopamin. Organoid individu disegel dalam cryovial yang berisi 1mL media pertumbuhan dan diangkut ke ISS melalui misi SpaceX. Organoid tersebut tetap berada di luar angkasa selama 30 hari sementara organoid kontrol yang identik tetap berada di Bumi. Suhu dan paparan radiasi dipantau seluruhnya. Setelah dikembalikan, organoid menjalani beberapa analisis termasuk pengurutan RNA, studi sekresi protein, dan pemeriksaan mikroskopis.
Hasil
Analisis mengungkapkan perbedaan signifikan dalam ekspresi gen antara organoid yang tumbuh di ruang angkasa dan organoid yang dikendalikan di darat. Sampel yang ditanam di ruang angkasa menunjukkan peningkatan tingkat gen terkait maturasi dan penurunan tingkat gen terkait proliferasi. Perubahan ini konsisten pada organoid kortikal dan dopaminergik. Organoid mempertahankan kelangsungan hidup dan dapat menghasilkan jaringan saraf pasca pengembalian.
Keterbatasan
Beberapa faktor menghambat penerapan penelitian yang lebih luas: Ukuran sampel dibatasi hingga empat donor sel. Model organoid, meskipun berguna, mewakili versi jaringan otak yang disederhanakan. Durasi satu bulan mungkin tidak mencerminkan efek paparan ruang yang lebih lama. Pengaruh sistem kultur statis terhadap hasil tidak dapat sepenuhnya dipisahkan dari efek gayaberat mikro. Penelitian ini tidak dirancang untuk mengidentifikasi perbedaan spesifik penyakit antara sel sehat dan sel yang berasal dari pasien.
Diskusi dan Kesimpulan
Peningkatan yang diamati dalam pematangan sel saraf dalam kondisi gayaberat mikro memberikan wawasan baru tentang perkembangan otak. Bukti menunjukkan gayaberat mikro, dibandingkan faktor terkait ruang angkasa lainnya, yang mendorong perubahan yang diamati. Keberhasilan penerapan sistem kultur statis menawarkan metode baru untuk pemeliharaan organoid jangka panjang. Temuan ini mungkin mempunyai implikasi bagi kedokteran luar angkasa dan penelitian terestrial.
Pendanaan dan Pengungkapan
Penelitian ini mendapat pendanaan dari National Stem Cell Foundation. Laboratorium Nasional Stasiun Luar Angkasa Internasional memberikan dukungan proyek. Para peneliti menyatakan tidak ada konflik kepentingan dalam temuan mereka.