Romfart gjør noen rare ting med astronautenes kropper

Astronaut Karen Nyburg bruker et fundoskop til en øyeundersøkelse ombord på den internasjonale romstasjonen. NASA

Astronaut Scott Kelly levde og jobbet på den internasjonale romstasjonen i 340 dager - den lengste tiden en amerikaner har tilbrakt i verdensrommet. Oppdraget hans ga forskerne noe viktig innsikt i hva som skjer med menneskekroppen under langvarige opphold i bane. Det er fordi Kelly har en identisk tvilling, Mark (også en astronaut, og nå snart en amerikansk senator). Kelly-tvillingene ga forskere en sjelden mulighet: da de studerte hva som skjedde med Scotts kropp i løpet av året hans i verdensrommet, hadde de fordelen av en kontrollperson, Mark, som ble på jorden.

De NASA tvillingstudie ga mer bevis for det vi allerede mistenkte. I en innestengt kapsel under mikrogravitasjon og langvarig eksponering for stråling, får immunsystemet et slag, øyet endrer form til det verre, og det er noe betydelig tap i muskel- og benmasse.

Men vi lærte også om noen overraskende effekter. Kelly opplevde endringer i tarmmikrobiomet hans, hans kognitive evner ble redusert, visse gener slo seg av og på, og kromosomene hans opplevde strukturelle endringer.

Tvillingstudien ga oss en første skisse av menneskekroppens molekylære reaksjoner på romfart, men disse konturene måtte fylles ut, sier Christopher Mason, førsteamanuensis i fysiologi og biofysikk ved Weill Cornell Medicine. Endringene vi så trengte mer kontekst og replikering. Vi trengte ytterligere studier for å kartlegge frekvensen av endringene vi observerte hos andre astronauter, og andre organismer, som går ut i verdensrommet, og også for å se om graden av endring var lik for kortere oppdrag.

Det bringer oss til en ny pakke med forskning som bygger på tvillingstudien, som analyserer noen av de originale dataene med nye teknikker og gir sammenligninger med andre astronauter. I et sett med 19 studier publisert i dag i en rekke forskjellige tidsskrifter (sammen med 10 forhåndstrykk som fortsatt er under fagfellevurdering), studerte forskere som Mason (en seniorforfatter på 14 av avisene) de fysiologiske, biokjemiske og genetiske endringene som skjedde i 56 astronauter (inkludert Kelly) som har tilbrakt tid i verdensrommet – den største studien i sitt slag som noen gang er utført.

De nye papirene, som inkluderer resultater fra celleprofilering og gensekvenseringsteknikker som har blitt lettere å kjøre bare nylig, avslører at det er noen funksjoner ved romfart som konsekvent vises hos mennesker, mus og andre dyr når de drar til verdensrommet, sier Mason. Det ser ut til å være et kjernepattedyrsett med tilpasninger og svar på påkjenningene ved romfart.

Det gode, det dårlige og det uforklarlige

Forskerne trekker frem seks biologiske endringer som oppstår hos alle astronauter under romfart: oksidativt stress (en overdreven akkumulering av frie radikaler i kroppens celler), DNA-skader, funksjonssvikt i mitokondriene, endringer i genregulering, endringer i lengden på telomerer (enden av kromosomer, som forkortes med alderen), og endringer i tarmmikrobiomet.

Av disse seks endringene var den største og mest overraskende for forskere mitokondriell dysfunksjon . Mitokondrier spiller en kritisk rolle i å produsere den kjemiske energien som er nødvendig for å holde celler - og i forlengelsen av vev og organer - funksjonelle. Forskere fant uregelmessig mitokondriell ytelse hos dusinvis av astronauter og var i stand til i stor grad å karakterisere disse endringene takket være nye genomikk- og proteomikkteknikker. Afshin Beheshti, en bioinformatiker ved NASA og seniorforfatter av en studie , sier mitokondriell undertrykkelse bidrar til å forklare hvor mange av problemene astronauter opplevde (som immunsystemmangler, forstyrret døgnrytme og organkomplikasjoner) faktisk er holistisk relatert til hverandre, siden de alle er avhengige av de samme metabolske banene.

Når du er i verdensrommet, er det ikke bare ett er eller et organ som er påvirket, det er hele kroppen som er påvirket, sier Beheshti. 'Vi begynte å koble sammen prikkene.'

Annen forskning tok utgangspunkt i problemer observert på genetisk nivå. Tvillingstudien viste at Kellys telomerer ble lengre i verdensrommet før de krympet tilbake til normale eller enda kortere lengder like etter at han kom tilbake til jorden. Telomerer skal forkortes med alderen, så forlengelse gir liten mening, og tvillingstudien ga ikke nok data til å gi noen reelle konklusjoner om hvorfor det skjedde og hva effektene var.

Susan Bailey, en Colorado State University-ekspert på telomerforskning og seniorforfatter for flere av avisene, sier at den nye forskningen fant at 10 andre astronauter opplevde den samme telomerforlengelsen Kelly gjorde det uavhengig av oppdragets varighet - i tillegg til at den samme telomeren krympet når de kom tilbake til jorden.

Spesielt fant en av papirene i den nye pakken at lengre telomerer også var assosiert med klatrere av Mount Everest. For Bailey og hennes kolleger tyder dette på at telomerforlengelse er påvirket av oksidativt stress – noe som både klatrere og astronauter opplever, og som forstyrrer riktig telomervedlikehold.

Astronaut Akihiko Hoshide trekker blod fra blodåren på ISS.

NASA

De prøver fortsatt å finne ut hvordan disse banene fungerer og nøyaktig hva konsekvensene kan være ( det er sannsynligvis ikke en hemmelighet for lang levetid ), men vi har nå et grunnlag å bygge på – vi vet hva vi skal se etter og være oppmerksomme på hos fremtidige astronauter på langvarige [og romfarts] utforskningsoppdrag, sier hun.

Selv om noen av endringene er uventede, er mange ingen grunn til bekymring. Det som er utrolig for meg er hvor godt vi tilpasser oss verdensrommet, sier Jeffrey Sutton, direktør for Baylor College of Medicine Center for Space Medicine, som ikke var involvert i den nye forskningen. Blodcellemutasjoner avtok i Kelly mens han var i verdensrommet (en total overraskelse for Mason). Astronauter stilte også ut reduserte nivåer av biomarkører assosiert med aldring og økte nivåer av mikroRNA som regulerer det vaskulære systemets respons på strålingsskader og mikrogravitasjon. Et av de merkeligste funnene var at astronautenes tarmmikrobiomer klarte å bringe rommikrober funnet på ISS tilbake til jorden.

Studiene individuelt og samlet er virkelig imponerende, sier Sutton. Vi har gått inn i en ny æra av biomedisinsk romforskning, der tilnærmingene og verktøyene innen presisjon og translasjonsmedisin blir brukt for å fremme vår forståelse av menneskelig tilpasning til verdensrommet.

Langsiktige bekymringer

Til syvende og sist fremhever imidlertid dataene hvor mye kaos og stress selv de sunneste kroppene møter under romoppdrag – noe som burde ha innvirkning på planleggingen for lengre oppdrag. Jeg tror ikke vi er i nærheten av å sende utrente mennesker ut i verdensrommet i virkelig lange perioder, sier Scott Kelly.

Fysiologisk tror han det sannsynligvis er trygt å sende folk til Mars og tilbake. I en fjern fremtid, i stedet for å dra til Mars, skal vi imidlertid til månene til Jupiter eller Saturn, sier han. Du kommer til å være i verdensrommet i årevis. Og på det tidspunktet må vi se nærmere på kunstig tyngdekraft som en avbøtende effekt. Jeg ville ikke ønske å ankomme overflaten til en annen planetarisk kropp og ikke være i stand til å fungere. Et år eller så er gjennomførbart. Flere år er det sannsynligvis ikke.

Scott Kelly bruker ultralyd for å avbilde halsvenen hans ved hjelp av Gennady Padalka, for å evaluere effektiviteten til et mottiltak for negativt trykk i underkroppen som brukes for å reversere væskeskiftet som oppstår i vektløshetsmiljøet i verdensrommet.

NASA

Vi er fortsatt langt unna å måtte vurdere den typen risiko. Mason og hans kolleger foreslår at det bør være farmakologiske strategier for å redusere tyngdekraftens innvirkning på kroppene til returnerende astronauter.

mener Sutton presisjonsmedisin kan spille en stor rolle i å skreddersy disse stoffene for å beskytte astronauter mot effekten av mikrogravitasjon og stråling. Og de delte biologiske svarene mellom astronauter og Mount Everest-klatrere antyder at noen intervensjoner som brukes for å beskytte ekstremsportidrettsutøvere mot oksidativt stress også kan brukes på astronauter.

Det vi trenger er mer data – og flere populasjoner å bruke for sammenligning. Mason, Bailey og deres kolleger begynner å samle celle- og genprofiler til flere astronauter , spesielt de som skal på fremtidige årelange oppdrag. De ønsker også å studere mennesker som har opplevd andre forhold som på en eller annen måte ligner romfart, for eksempel stråleterapipasienter, piloter og flyvertinner.

Jo mer vi vet om helseeffektene av langvarig romfart, desto bedre vil vi være i stand til å bidra til å opprettholde helsen og ytelsen til astronauter under og etter romfart, sier Bailey. Slik kunnskap kommer også de av oss på jorden til gode – vi er alle bekymret for å bli eldre og ha dårlig helse.

Dette innlegget har blitt oppdatert med kommentarer fra Afshin Beheshti.

gjemme seg