Rumflyvning gør nogle mærkelige ting ved astronauternes kroppe

Astronaut Karen Nyburg bruger et fundoskop til en øjenundersøgelse ombord på den internationale rumstation. NASA

Astronaut Scott Kelly boede og arbejdede på den internationale rumstation i 340 dage - den længste tid, en amerikaner har tilbragt i rummet. Hans mission gav videnskabsmænd en vis vigtig indsigt i, hvad der sker med den menneskelige krop under længerevarende ophold i kredsløb. Det er fordi Kelly har en identisk tvilling, Mark (også en astronaut, og nu snart amerikansk senator). Kelly-tvillingerne tilbød videnskabsmænd en sjælden mulighed: Da de studerede, hvad der skete med Scotts krop i løbet af hans år i rummet, havde de fordelen af ​​en kontrolperson, Mark, som blev på Jorden.

Det NASA tvillingeundersøgelse gav flere beviser for, hvad vi allerede havde mistanke om. I en indelukket kapsel under mikrotyngdekraft og langvarig udsættelse for stråling får immunsystemet et slag, øjet ændrer form til det værre, og der er et betydeligt tab af muskel- og knoglemasse.

Men vi lærte også om nogle overraskende effekter. Kelly oplevede ændringer i sit tarmmikrobiom, hans kognitive evner blev langsommere, visse gener ville slukke og tænde, og hans kromosomer oplevede strukturelle ændringer.

Tvillingundersøgelsen gav os en første skitse af den menneskelige krops molekylære reaktioner på rumflyvning, men disse konturer skulle udfyldes, siger Christopher Mason, lektor i fysiologi og biofysik ved Weill Cornell Medicine. De ændringer, vi så, havde brug for mere kontekst og replikering. Vi havde brug for yderligere undersøgelser for at kortlægge hyppigheden af ​​de ændringer, vi observerede hos andre astronauter og andre organismer, der går ud i rummet, og også for at se, om graden af ​​forandring var ens for kortere missioner.

Det bringer os til en ny pakke af forskning, der bygger på tvillingeundersøgelsen, der genanalyserer nogle af de originale data med nye teknikker og giver sammenligninger med andre astronauter. I et sæt på 19 undersøgelser offentliggjort i dag i en række forskellige tidsskrifter (sammen med 10 fortryk, der stadig er under peer review), studerede forskere som Mason (en seniorforfatter på 14 af artiklerne) de fysiologiske, biokemiske og genetiske ændringer, der fandt sted i 56 astronauter (inklusive Kelly), der har tilbragt tid i rummet - den største undersøgelse af sin art, der nogensinde er udført.

De nye artikler, som inkorporerer resultater fra celleprofilerings- og gensekventeringsteknikker, der først for nylig er blevet lettere at køre, afslører, at der er nogle træk ved rumflyvning, der konsekvent optræder hos mennesker, mus og andre dyr, når de går i rummet, siger Mason. Der ser ud til at være et centralt pattedyrsæt af tilpasninger og reaktioner på rumflyvningens strabadser.

Det gode, det dårlige og det uforklarlige

Forskerne fremhæver seks biologiske ændringer som forekommer hos alle astronauter under rumflyvning: oxidativt stress (en overdreven ophobning af frie radikaler i kroppens celler), DNA-skader, dysfunktion af mitokondrierne, ændringer i genregulering, ændringer i længden af ​​telomerer (enderne af kromosomerne, som forkorter med alderen) og ændringer i tarmmikrobiomet.

Af disse seks ændringer var den største og mest overraskende for videnskabsmænd mitokondriel dysfunktion . Mitokondrier spiller en afgørende rolle i at producere den kemiske energi, der er nødvendig for at holde celler - og i forlængelse heraf væv og organer - funktionelle. Forskere fandt uregelmæssig mitokondriel ydeevne hos snesevis af astronauter og var i stand til bredt at karakterisere disse ændringer takket være nye genomik og proteomiske teknikker. Afshin Beheshti, en bioinformatiker ved NASA og seniorforfatter af ét studie , siger mitokondriel undertrykkelse hjælper med at forklare, hvor mange af de problemer astronauter oplevede (som immunsystemmangler, forstyrret døgnrytme og organkomplikationer) faktisk er holistisk relateret til hinanden, da de alle er afhængige af de samme metaboliske veje.

Når du er i rummet, er det ikke kun ét væsen eller organ, der er påvirket, det er hele kroppen, der er påvirket, siger Beheshti. 'Vi begyndte at forbinde prikkerne.'

Anden forskning hjemsted i problemer observeret på det genetiske niveau. Tvillingsundersøgelsen viste, at Kellys telomerer blev længere i rummet, før de skrumpede tilbage til normale eller endda kortere længder, kort efter at han vendte tilbage til Jorden. Telomerer formodes at forkortes med alderen, så forlængelse giver ikke meget mening, og tvillingeundersøgelsen gav ikke nok data til at fremkalde nogen reelle konklusioner om, hvorfor det skete, og hvad virkningerne var.

Susan Bailey, en Colorado State University-ekspert i telomerforskning og seniorforfatter til flere af artiklerne, siger, at den nye forskning fandt, at 10 andre astronauter oplevede den samme telomerforlængelse Kelly gjorde det uanset missionens varighed - såvel som den samme telomer, der krympede, når de kom tilbage til Jorden.

Et af papirerne i den nye pakke fandt især ud af, at længere telomerer også var forbundet med klatrere af Mount Everest. For Bailey og hendes kolleger tyder dette på, at telomerforlængelse er påvirket af oxidativ stress -noget som både klatrere og astronauter oplever, og som forstyrrer korrekt telomervedligeholdelse.

Astronaut Akihiko Hoshide trækker blod fra sin åre på ISS.

NASA

De forsøger stadig at finde ud af, hvordan disse veje fungerer, og præcis hvad konsekvenserne kan være ( det er nok ikke en hemmelighed for lang levetid ), men vi har nu et fundament at bygge på - vi ved, hvad vi skal kigge efter og være opmærksomme på i fremtidige astronauter på langvarige [og dybe rum] udforskningsmissioner, siger hun.

Selvom nogle af ændringerne er uventede, giver mange ingen grund til bekymring. Det, der er fantastisk for mig, er, hvor godt vi tilpasser os rummet, siger Jeffrey Sutton, direktør for Baylor College of Medicines Center for Space Medicine, som ikke var involveret i den nye forskning. Blodcellemutationer faldt i Kelly, mens han var i rummet (en total overraskelse for Mason). Astronauter udstillede også nedsatte niveauer af biomarkører forbundet med aldring og øgede niveauer af mikroRNA'er der regulerer det vaskulære systems reaktion på strålingsskader og mikrogravitation. Et af de mærkeligste fund var, at astronauternes tarmmikrobiomer formåede at bringe rummikrober fundet på ISS tilbage til Jorden.

Studierne individuelt og samlet er virkelig imponerende, siger Sutton. Vi er trådt ind i en ny æra af biomedicinsk forskning i rummet, hvor tilgange og værktøjer inden for præcision og translationel medicin bliver brugt til at fremme vores forståelse af menneskelig tilpasning til rummet.

Langsigtede bekymringer

I sidste ende fremhæver dataene dog, hvor meget kaos og stress selv de sundeste kroppe udsættes for under rummissioner - hvilket burde have en indflydelse på planlægningen af ​​længere missioner. Jeg tror ikke, vi er i nærheden af ​​at sende utrænede mennesker ud i rummet i rigtig lange perioder, siger Scott Kelly.

Fysiologisk mener han, at det nok er sikkert at sende folk til Mars og tilbage. I en fjern fremtid skal vi dog i stedet for at tage til Mars til Jupiters eller Saturns måner, siger han. Du kommer til at være i rummet i årevis. Og på det tidspunkt bliver vi nødt til at se nærmere på kunstig tyngdekraft som en afbødning. Jeg ville ikke ønske at ankomme til overfladen af ​​en anden planetarisk krop og ikke være i stand til at fungere. Et år eller deromkring er brugbart. Flere år er det nok ikke.

Scott Kelly bruger ultralyd til at afbilde sin halsvene ved hjælp af Gennady Padalka for at evaluere effektiviteten af ​​en modforanstaltning for underkroppen under negativt tryk, der bruges til at vende det fremadgående væskeskift, der opstår i rummets vægtløshedsmiljø.

NASA

Vi er stadig langt væk fra at skulle vurdere den slags risici. Mason og hans kolleger foreslår, at der bør være farmakologiske strategier til at reducere tyngdekraftens indvirkning på de hjemvendte astronauters kroppe.

mener Sutton præcisionsmedicin kunne spille en stor rolle i at skræddersy disse stoffer til at beskytte astronauter mod virkningerne af mikrotyngdekraft og stråling. Og de fælles biologiske reaktioner mellem astronauter og Mount Everest-bestigere tyder på, at nogle indgreb, der bruges til at beskytte ekstremsportsatleter mod oxidativ stress, også kan anvendes på astronauter.

Det, vi har brug for, er flere data - og flere populationer at bruge til sammenligning. Mason, Bailey og deres kolleger begynder at indsamle celle- og genprofiler for flere astronauter , især dem, der skal på fremtidige årelange missioner. De ønsker også at studere mennesker, der har oplevet andre tilstande, der på en eller anden måde ligner rumflyvning, såsom strålebehandlingspatienter, piloter og stewardesser.

Jo mere vi ved om sundhedseffekterne af langvarig rumflyvning, jo bedre er vi i stand til at hjælpe med at opretholde astronauters sundhed og ydeevne under og efter rumflyvning, siger Bailey. Sådan viden kommer også dem af os på Jorden til gode - vi er alle bekymrede for at blive ældre og have dårligt helbred.

Dette indlæg er blevet opdateret med kommentarer fra Afshin Beheshti.

skjule