Podróże poza orbitę okołoziemską stanowią ogromne wyzwanie dla astronautów, nie tylko ze względów psychologicznych, ale także fizjologicznych. W celu poznania mechanizmów adaptacji ludzkiego organizmu do warunków kosmicznych, NASA przeprowadziło kompleksowe badanie bliźniaków jednojajowych – astronauty przed, w trakcie i po powrocie z rocznej misji na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) oraz jego genetycznie identycznego bliźniaka przebywającego na powierzchni Ziemi.
Przebieg badania
Trwające 25 miesięcy badanie, nazwane NASA Twins Study obejmowało 340 dni pobytu na ISS oraz kilkumiesięczne okresy przed lotem kosmicznym i po powrocie na Ziemię i zostało przeprowadzone z udziałem dwóch doświadczonych astronautów, będących identycznymi genetycznie bliźniakami jednojajowymi. Podczas gdy Mark Kelly przebywał na Ziemi, a jego brat Scott Kelly brał udział w misji kosmicznej regularnie pobierano od nich próbki biologiczne (krew, kał, mocz) oraz prowadzono badania psychologiczne i ocenę funkcji poznawczych.
Wpływ podróży kosmicznych na organizm
Przeprowadzone badanie wykazało liczne zmiany systemowe u astronauty przebywającego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Obejmowały one między innymi podwyższone poziomy metabolitów związanych ze stresem genotoksycznym, stanami zapalnymi i zmieniony metabolizmem aminokwasów. Obserwowane w trakcie trwania misji zaburzenia epigenetyczne ujawniły wzbogacenie niektórych szlaków metabolicznych – m.in. odpowiadających za regulację aktywacji lub granulacji neutrofilów czy agregacji płytek krwi. Zmiany te były związane z zaobserwowanymi różnicami w liczbie genów ulegających różnicowej ekspresji, które w większości (91,3%) wróciły do normy w ciągu 6. miesięcy od powrotu na Ziemię.
Wydłużanie telomerów
Telomery są elementami strukturalnymi chromosomów, gwarantującymi ich stabilność – ulegają skróceniu wraz z kolejnymi podziałami komórkowymi, a co za tym idzie wraz z wiekiem i pod wpływem szkodliwych czynników środowiskowych, takich jak stres, zanieczyszczenia, promieniowanie. W trakcie pobytu na ISS u Scotta obserwowano wydłużenie telomerów o 14,5% w stosunku do pomiarów wykonanych przed rozpoczęciem i po zakończeniu misji kosmicznej. Uległy jednak gwałtownemu skróceniu już w ciągu 48h od powrotu na Ziemię i w przeciągu kilku miesięcy ustabilizowały się na poziomie zbliżonym do odnotowanego przed podróżą na ISS. Chociaż przeprowadzone badanie nie pozwoliło na dokładne poznanie mechanizmu tego zjawiska, podejrzewa się, że znaczenie mógł odegrać zdrowy tryb życia astronauty – wydłużenie telomerów korelowało ze spadkiem masy ciała i podwyższonym poziomem kwasu foliowego w surowicy.
Odporność i stany zapalne
Obserwowane zmiany w ekspresji genów wskazywały na istotne zmiany w obrębie komórek odpowiedzialnych za odpowiedź immunologiczną, zarówno w obrębie systemów odporności wrodzonej, nabytej, jak i regulowanej przez komórki NK (natural killer). Analizy DNA ujawniły zmiany metylacji DNA w obrębie promotora odpowiedzialnego za regulację różnicowania i aktywację limfocytów T – zjawisko to obserwowano tylko w próbkach pobranych od astronauty w trakcie pobytu na ISS. W zależności od etapu trwania badania odnotowano jednak zróżnicowane zmiany w ekspresji cytokin:
- Od powrotu na Ziemię przez kolejne 6 miesięcy obserwowano wzrost poziomu m.in. IL10, IL17A, IL18, leptyny.
- Cytokiny takie, jak m.in. IL2, IL6, TNF występowały na wysokim poziomie przed rozpoczęciem misji i w trakcie jej trwania, jednak ich stężenie spadło po powrocie na Ziemię.
- W ciągu pierwszych 4 dni od powrotu odnotowano nawet 8-krotną zmianę poziomu MCP-1, CRP i IL1RA, których wyniki następnie wróciły do normy 36. dnia od powrotu.
- W trakcie pobytu w kosmosie i po powrocie obserwowano podwyższony poziom prozapalnego kwasu arachidonowego, przy jednocześnie obniżonym poziomie kwasu eikozapentoenowego o właściwościach przeciwzapalnych.
Pomimo opisanych zmian w aktywności systemu odpornościowego, doświadczenie z przeprowadzonym w trakcie misji szczepieniem przeciwko grypie nie ujawniło wpływu na podstawowe funkcje immunologiczne. Zdolność do rekrutacji limfocytów T, chemotaksji, prezentowania antygenu zostały w pełni zachowane.
Mikrobiota jelitowa
W próbkach kału pobieranych w trakcie pobytu astronauty na ISS odnotowano zmianę w proporcjach dominujących typów bakterii Firmicutes i Bacteroidetes, stanowiących łącznie >96% wykrytych szczepów. Stosunek F/B w badanych próbkach wahał się od 0,72 do 5,55 ze zmianą w kierunku dominacji Bacteroidetes w trakcie pobytu w kosmosie – mediana 3,21, w porównaniu do 1,45 w próbkach pobieranych na Ziemi przed i po misji. Wszystkie wartości mieściły się jednak w normie obserwowanej wśród zdrowych pacjentów (0,01-5,96).
Mitochondria a pobyt w kosmosie
U astronauty przebywającego na ISS zaobserwowano związane z aktywnością mitochondriów zmiany zarówno na poziomie genomicznym, jak i funkcjonalnym. Analiza sekwencyjna RNA ujawniła znaczny wzrost poziomu mtRNA (mitochondrialne RNA) w trakcie trwania misji kosmicznej, korelujący z czasem pobytu na orbicie okołoziemskiej. Zmianie tej towarzyszył wzrost zapotrzebowania na tlen potrzebny do zaspokojenia podstawowych funkcji życiowych i procesów oddechowych sprzężonych z ATP przy jednoczesnym spadku rezerw ATP. W moczu Scotta odnotowano także podwyższony poziom kwasu mlekowego, osiągający najwyższe stężenia w trakcie pierwszych 15 i ostatnich 14 dni misji kosmicznej. Zaobserwowana zmiana stosunku kwas mlekowy/kwas pirogronowy sugeruje przestawienie metabolizmu oddechowego na nieoddechowy, towarzyszył jej również wzrost zakwaszenia przestrzeni zewnątrzkomórkowych i ekspresji genów związanych z glikolizą.
Dodatkowo, u astronauty uczestniczącego w misji kosmicznej odnotowano zmiany w ekspresji genów związanych z procesami metabolizmu tlenu i reaktywnych form tlenu, transportu mitochondrialnego, hipoksji i apoptycznych zmian mitochondrialnych.
Układ sercowo-naczyniowy
Zgodnie z wynikami wcześniejszych badań, u astronauty przebywającego na ISS odnotowano 10% wzrost rzutu serca oraz nieznaczny spadek ciśnienia skurczowego i średniego ciśnienia tętniczego. Dodatkowo, już w początkowej fazie pobytu na orbicie okołoziemskiej obserwowano u niego rozciągnięcie tętnicy szyjnej zarówno w stanie skurczu, jak i rozkurczu, które utrzymywało się przez cały okres trwania misji. Jednocześnie, błona wewnętrzna tętnicy szyjnej uległa pogrubieniu i stan ten utrzymywał się do 4. dnia od powrotu na Ziemię. Zmiany te mogą być związane z podwyższonym poziomem białek COL3A1 i COL1A1, uczestniczących w szlakach metabolicznych związanych z formowaniem kolagenu.
Nawodnienie, odżywienie i masa ciała
Podobnie jak w przypadku innych astronautów, Scott w trakcie pobytu na ISS stracił na wadze – odnotowano 7% spadek jego masy ciała, w porównaniu do 4% wzrostu u brata przebywającego na Ziemi. Zaobserwowano u niego także spadek objętości wydalanego moczu i obniżoną podaż energii, wynoszącą 66% przewidzianego zapotrzebowania. Astronauta w trakcie misji kosmicznej nie przyjmował żadnych dodatkowych suplementów i witamin, poza zalecaną witaminą D, nie stwierdzono u niego jednak występowania żadnych niedoborów składników odżywczych.
Funkcje poznawcze
Funkcje poznawcze obydwu astronautów mierzono w różnych fazach trwania misji – przed jej rozpoczęciem, początkowym (1-6 miesiąc) i późnym (7-12 miesiąc) etapie pobytu na ISS oraz po powrocie na Ziemię. Scott we wszystkich fazach badań wykazywał większą skłonność do podejmowania ryzyka, która dodatkowo wzrosła w trakcie pobytu na orbicie okołoziemskiej. Podczas misji zaobserwowano u niego także poprawę szybkości reakcji, orientacji przestrzennej i precyzji motorycznej. W ostatniej fazie badania – po powrocie na Ziemię odnotowano jednak spadek funkcji poznawczych w zakresie szybkości i precyzji we wszystkich prowadzonych testach, z wyjątkiem orientacji przestrzennej – pogorszenie to utrzymywało się przez 6 miesięcy od zakończenia misji.
Wnioski i podsumowanie
Wyniki NASA Twin Study nie tylko odkrywają przed nami nowe zagrożenia i wyzwania związane z wydłużaniem trwania misji na orbicie okołoziemskiej oraz komercjalizacji podróży kosmicznych, ale także ujawniają wyjątkowe zdolności adaptacyjne ludzkiego organizmu. Znaczna większość, obserwowanych w trakcie pobytu na ISS, zmian genetycznych, metabolicznych i funkcjonalnych była jedynie tymczasowa i ulegała normalizacji w ciągu 6 miesięcy od powrotu na Ziemię.
Źródło:
1. https://www.nasa.gov/humans-in-space/twins-study/
2. Francine E. Garrett-Bakelman et al., The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science 364: eaau8650 (2019).