Ruimtevlucht doet rare dingen met de lichamen van astronauten

Astronaut Karen Nyburg gebruikt een fundoscoop voor een oogonderzoek aan boord van het internationale ruimtestation ISS. NASA

Astronaut Scott Kelly woonde en werkte 340 dagen op het internationale ruimtestation ISS - de langste tijd die een Amerikaan in de ruimte heeft doorgebracht. Zijn missie gaf wetenschappers een essentieel inzicht in wat er met het menselijk lichaam gebeurt tijdens langdurige verblijven in een baan om de aarde. Dat komt omdat Kelly een identieke tweeling heeft, Mark (ook een astronaut, en nu binnenkort een Amerikaanse senator). De Kelly-tweeling bood wetenschappers een zeldzame kans: terwijl ze bestudeerden wat er met Scotts lichaam gebeurde tijdens zijn jaar in de ruimte, hadden ze het voordeel van een controlepersoon, Mark, die op aarde bleef.

De NASA Twins-studie leverde meer bewijs voor wat we al vermoedden. In een opgesloten capsule onder microzwaartekracht en langdurige blootstelling aan straling, krijgt het immuunsysteem een ​​klap, verandert het oog ten kwade van vorm en is er een aanzienlijk verlies aan spier- en botmassa.

Maar we leerden ook over enkele verrassende effecten. Kelly ervoer veranderingen in zijn darmmicrobioom, zijn cognitieve vermogens vertraagden, bepaalde genen gingen aan en uit en zijn chromosomen ervoeren structurele veranderingen.

De Twins Study gaf ons een eerste schets van de moleculaire reacties van het menselijk lichaam op ruimtevluchten, maar deze contouren moesten worden ingevuld, zegt Christopher Mason, universitair hoofddocent fysiologie en biofysica bij Weill Cornell Medicine. De veranderingen die we zagen, hadden meer context en replicatie nodig. We hadden aanvullende studies nodig om de frequentie in kaart te brengen van de veranderingen die we hebben waargenomen bij andere astronauten en andere organismen die de ruimte in gaan, en ook om te zien of de mate van verandering vergelijkbaar was voor kortere missies.

Dat brengt ons bij een nieuw onderzoekspakket dat voortbouwt op de Twins Study, waarbij een deel van de oorspronkelijke gegevens opnieuw wordt geanalyseerd met nieuwe technieken en vergelijkingen worden gemaakt met andere astronauten. In een reeks van 19 studies die vandaag in een groot aantal verschillende tijdschriften zijn gepubliceerd (samen met 10 preprints die nog steeds onder peer review staan), bestudeerden onderzoekers zoals Mason (een senior auteur van 14 van de artikelen) de fysiologische, biochemische en genetische veranderingen die plaatsvonden in 56 astronauten (inclusief Kelly) die tijd in de ruimte hebben doorgebracht - de grootste studie in zijn soort die ooit is uitgevoerd.

De nieuwe artikelen, die resultaten bevatten van celprofilering en gen-sequencing-technieken die pas recentelijk gemakkelijker te gebruiken zijn geworden, onthullen dat er enkele kenmerken van ruimtevluchten zijn die consequent voorkomen bij mensen, muizen en andere dieren wanneer ze naar de ruimte gaan, zegt Mason. Er lijkt een kernzoogdierreeks aanpassingen en reacties op de ontberingen van ruimtevluchten te zijn.

Het goede, het slechte en het onverklaarbare

De onderzoekers benadrukken: zes biologische veranderingen die bij alle astronauten optreden tijdens ruimtevluchten: oxidatieve stress (een overmatige ophoping van vrije radicalen in de lichaamscellen), DNA-schade, disfunctie van de mitochondriën, veranderingen in genregulatie, veranderingen in de lengte van telomeren (de uiteinden van chromosomen, die korter worden) met de leeftijd), en veranderingen in het darmmicrobioom.

Van deze zes veranderingen was de grootste en meest verrassende voor wetenschappers: mitochondriale disfunctie . Mitochondriën spelen een cruciale rol bij het produceren van de chemische energie die nodig is om cellen - en bij uitbreiding weefsel en organen - functioneel te houden. Onderzoekers vonden onregelmatige mitochondriale prestaties bij tientallen astronauten en waren in staat om deze veranderingen in grote lijnen te karakteriseren dankzij nieuwe genomica- en proteomics-technieken. Afshin Beheshti, bio-informaticus bij NASA en senior auteur van één studie , zegt dat mitochondriale onderdrukking helpt verklaren hoeveel van de problemen die astronauten hebben ervaren (zoals tekortkomingen van het immuunsysteem, verstoord circadiaans ritme en orgaancomplicaties) eigenlijk holistisch met elkaar verband houden, omdat ze allemaal afhankelijk zijn van dezelfde metabole routes.

Als je in de ruimte bent, wordt niet slechts één lichaam of orgaan aangetast, maar het hele lichaam, zegt Beheshti. 'We zijn begonnen met het verbinden van de punten.'

Ander onderzoek richtte zich op problemen die op genetisch niveau werden waargenomen. De Twins Study toonde aan dat Kelly's telomeren langer werden in de ruimte voordat ze weer krimpen tot normale of zelfs kortere lengtes kort nadat hij terugkeerde naar de aarde. Telomeren zouden met de leeftijd korter worden, dus verlengen heeft weinig zin, en de Twins Study leverde niet genoeg gegevens op om echte conclusies te trekken over waarom het gebeurde en wat de effecten waren.

Susan Bailey, een expert op het gebied van telomeeronderzoek van de Colorado State University en senior auteur van verschillende van de artikelen, zegt dat uit het nieuwe onderzoek bleek dat 10 andere astronauten dezelfde telomeerverlenging ervaren Kelly deed dat ongeacht de duur van de missie - en hetzelfde telomeer slinkte zodra ze terug naar de aarde kwamen.

Een van de papieren in het nieuwe pakket ontdekte met name dat langere telomeren ook werden geassocieerd met klimmers van de Mount Everest. Voor Bailey en haar collega's suggereert dit dat het verlengen van telomeer beïnvloed door oxidatieve stress - iets dat zowel klimmers als astronauten ervaren, en dat het juiste onderhoud van telomeer verstoort.

Astronaut Akihiko Hoshide haalt bloed uit zijn ader op het ISS.

NASA

Ze proberen nog steeds vast te stellen hoe deze paden werken en wat de gevolgen precies kunnen zijn ( het is waarschijnlijk geen geheim voor een lang leven ), maar we hebben nu een basis om op voort te bouwen - we weten waar we op moeten letten en waar we ons bewust van moeten zijn bij toekomstige astronauten op langdurige [en diepe ruimte] verkenningsmissies, zegt ze.

Hoewel sommige veranderingen onverwacht zijn, zijn er veel geen reden tot bezorgdheid. Wat me verbazingwekkend is, is hoe goed we ons aanpassen aan de ruimte, zegt Jeffrey Sutton, directeur van het Baylor College of Medicine's Center for Space Medicine, die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek. Bloedcelmutaties namen af ​​in Kelly terwijl hij in de ruimte was (een totale verrassing voor Mason). Astronauten exposeerden ook verlaagde niveaus van biomarkers geassocieerd met veroudering en verhoogde niveaus van microRNA's die de reactie van het vaatstelsel op stralingsschade en microzwaartekracht reguleren. Een van de vreemdste bevindingen was dat het darmmicrobioom van astronauten erin slaagde om ruimtemicroben die op het ISS werden gevonden, terug naar de aarde te brengen.

De onderzoeken individueel en gezamenlijk zijn echt indrukwekkend, zegt Sutton. We zijn een nieuw tijdperk ingegaan van biomedisch onderzoek in de ruimte, waar de benaderingen en instrumenten van precisie en translationele geneeskunde worden toegepast om ons begrip van menselijke aanpassing aan de ruimte te vergroten.

Zorgen op lange termijn

Uiteindelijk laten de gegevens echter zien met hoeveel ravage en stress zelfs de gezondste lichamen worden geconfronteerd tijdens ruimtemissies, wat een impact zou moeten hebben op de planning van langere missies. Ik denk niet dat we ongetrainde mensen voor heel lange tijd de ruimte in kunnen sturen, zegt Scott Kelly.

Fysiologisch denkt hij dat het waarschijnlijk veilig is om mensen naar Mars en terug te sturen. In de verre toekomst gaan we echter in plaats van naar Mars, naar de manen van Jupiter of Saturnus, zegt hij. Je zult jaren in de ruimte zijn. En op dat moment zullen we kunstmatige zwaartekracht als een beperking van naderbij moeten bekijken. Ik zou niet op het oppervlak van een ander planetair lichaam willen aankomen en niet kunnen functioneren. Een jaar of zo is werkbaar. Enkele jaren waarschijnlijk niet.

Scott Kelly gebruikt echografie om zijn halsader in beeld te brengen met behulp van Gennady Padalka, om de effectiviteit te evalueren van een tegenmaatregel tegen negatieve druk in het onderlichaam die wordt gebruikt om de hoofdwaartse vloeistofverschuiving om te keren die optreedt in de gewichtloze omgeving van de ruimte.

NASA

We zijn nog ver verwijderd van het moeten evalueren van dat soort risico's. Mason en zijn collega's suggereren dat er farmacologische strategieën moeten zijn om de impact van de zwaartekracht op de lichamen van terugkerende astronauten te verminderen.

Sutton gelooft precisie geneeskunde zou een grote rol kunnen spelen bij het afstemmen van die medicijnen om astronauten te beschermen tegen de effecten van microzwaartekracht en straling. En de gedeelde biologische reacties tussen astronauten en Mount Everest-beklimmers suggereren dat sommige interventies die worden gebruikt om extreme sportatleten te beschermen tegen oxidatieve stress ook op astronauten kunnen worden toegepast.

Wat we nodig hebben, zijn meer gegevens - en meer populaties om te vergelijken. Mason, Bailey en hun collega's beginnen cel- en genprofielen van meer astronauten te verzamelen , vooral degenen die op toekomstige missies van een jaar gaan. Ze willen ook mensen bestuderen die andere aandoeningen hebben ervaren die op de een of andere manier lijken op ruimtevluchten, zoals radiotherapiepatiënten, piloten en stewardessen.

Hoe meer we weten over de gezondheidseffecten van langdurige ruimtevluchten, hoe beter we in staat zullen zijn om de gezondheid en prestaties van astronauten tijdens en na ruimtevluchten te helpen behouden, zegt Bailey. Dergelijke kennis komt ook degenen onder ons op aarde ten goede - we maken ons allemaal zorgen over ouder worden en een slechte gezondheid hebben.

Dit bericht is bijgewerkt met opmerkingen van Afshin Beheshti.

zich verstoppen