Przeprowadzone przez NASA badanie bliźniaków jednojajowych miało na celu zidentyfikowanie zmian zachodzących w organizmie astronautów przebywających na orbicie okołoziemskiej. Jakie zagrożenia mogą one nieść w kontekście planowanych wydłużonych misji kosmicznych?
Główne obszary ryzyka
Na podstawie opisanych w poprzednim artykule wyników NASA Twin Study badacze wyodrębnili 10 kluczowych procesów fizjologicznych, podlegającym zmianom w trakcie pobytu na orbicie okołoziemskiej, które trzeba mieć na szczególnej uwadze planując długotrwałe misje kosmiczne. Należą do nich:
- Masa ciała i odżywienie
- Regulacja długości telomerów
- Utrzymanie stabilności genomu
- Zdrowie naczyń
- Adaptacje strukturalne układu wzrokowego
- Zmiany transkrypcyjne i metaboliczne
- Przesunięcia epigenetyczne
- Zmiany w poziomach lipidów
- Odpowiedź mikrobiologiczna
- Funkcje poznawcze
W drugim kroku rozdzielono je według trzech kategorii ryzyka (niskie, średnie/nieznane, wysokie) opisujących ich potencjalne znaczenie dla astronautów i przebiegu trwających ponad 6 miesięcy misji kosmicznych.
Zależności o wysokiej dynamice i potencjalnie niskim ryzyku
Część zaobserwowanych w trakcie pobytu na orbicie okołoziemskiej zmian, pomimo szybkiego przebiegu, miało charakter tymczasowy i uległo cofnięciu po powrocie na Ziemię. Zależności te mogą potencjalnie stanowić istotne biomarkery dla obserwacji procesów adaptacji ludzkiego organizmu do warunków kosmicznych, nie powinny jednak stanowić dużego ryzyka dla organizacji długoterminowych misji.
Pomiary funkcji genów
Zdecydowana większość (91,3%) genów, których ekspresja uległa modyfikacji w trakcie pobytu na ISS, wróciła do normy w ciągu 6 miesięcy od powrotu na Ziemię. Podobne obserwacje zanotowano w przypadku zmian na poziomie metabolicznym. Badania odpowiedzi immunologicznej oparte na danych proteomicznych i transkrypcyjnych nie wykazały upośledzenia odpowiedzi układu odpornościowego na podaną w trakcie misji szczepionkę przeciwko grypie. Organizm zareagował prawidłowo na poziomie rekrutacji limfocytów T, chemotaksji, dystrybucji, prezentacji i rozpoznania antygenu. Otrzymane wyniki badań wykazały wysoką plastyczność i odporność ludzkiego organizmu na zmiany na poziomie genetycznym, epigenetycznym, transkrypcyjnym, komórkowym i biologicznym.
Wydłużanie telomerów
Obserwowane w trakcie misji wydłużenie telomerów pozostawało w zgodzie z wcześniejszymi doniesieniami naukowymi dotyczącymi krótszych (<6 miesięcy) pobytów na orbicie okołoziemskiej. Chociaż pełny mechanizm tego zjawiska i jego możliwe konsekwencje pozostają nieznane, wydłużenie telomerów może być związane ze zmianami stylu życia – zdrowszą dietą, aktywnością fizyczną i spadkiem masy ciała w trakcie trwania misji.
Zmiany w mikrobiocie
Mikrobiota jelitowa jest wrażliwym ekosystemem reagującym na modyfikacje diety, stylu życia i zmieniającym się w czasie. Zwiększona liczba obserwowanych zmian u astronauty, w porównaniu z jego przebywającym na Ziemi bratem, sugeruje jednak, że część z nich mogła być związana z odbywaną misją kosmiczną. Zmiany te dotyczyły między innymi ilości małocząsteczkowych metabolitów związanych z mikrobiota jelitową, czy proporcji pomiędzy szczepami Firmicutes i Bacteroidetes. Profil flory bakteryjnej po powrocie na Ziemię wrócił jednak do normy, a podczas trwania misji zachowywał odpowiednią różnorodność wskazującą na jego zdrowie.
Zależności o potencjalnie średnim lub nieznanym ryzyku
Do zależności charakteryzujących się potencjalnym średnim lub nierozpoznanym ryzykiem zaliczono regulację kolagenu, gospodarkę płynami wewnątrzkomórkowymi i trwałe skrócenie lub utratę telomerów.
Regulacja kolagenu
W przeprowadzonym badaniu po raz pierwszy zaobserwowano wzrost stężenia w moczu dwóch związanych z kolagenem białek, które mogą być odpowiedzialne za zmiany w wymiarach naczyń krwionośnych – COL1A1 i COL3A1. Ich cząsteczki charakteryzują się 2-krotnie większą masą niż albumina, co w normalnych warunkach utrudnia ich transport do moczu, występują w nerkach jedynie w niskich stężeniach. Przebywanie w stanie nieważkości ogranicza obciążenie chrząstek, mięśni, ścięgien, kości, skóry i naczyń krwionośnych, prowadząc do ich przemodelowania strukturalnego, co może się przekładać na wzrost stężenia COL1A1 i COL3A1 w moczu. Potencjalne może to prowadzić do zmian w obrębie grubości błony wewnętrznej i środkowej tętnicy szyjnej oraz przekładać się na zaburzenia odpowiedzi ciśnienia krwi na zmiany pozycji.
Gospodarka płynami wewnątrznaczyniowymi
W trakcie pobytu na orbicie okołoziemskiej astronauci są wysoce narażeni na odwodnienie, mogące prowadzić do rozwoju kamicy nerkowej. W badaniu potwierdzono obniżoną podaż wody i pokarmów w trakcie misji kosmicznej oraz powiązany z niską grawitacją spadek aktywności przewodu pokarmowego. Obserwowany po powrocie na Ziemię przyrost masy ciała i zatrzymanie płynów najprawdopodobniej jest związany nie z readaptacją do ziemskich warunków, a zmianami zachodzącymi podczas pobytu na orbicie. W trakcie misji odnotowano podwyższony poziomem akwaporyny-2 (AQP2) – regulowanego wazopresyną integralnego białka błonowego odpowiedzialnego za reabsorpcję wody z kanalików zbiorczych. Wysokie stężenie AQP2 może być wynikiem odwodnienia lub hipernatremii.
Trwałe skrócenie lub utrata telomerów
Obserwowane w ciągu <48h od lądowania na Ziemi gwałtowne skrócenie telomerów koreluje z ogromnym obciążeniem stresowym związanym z procedurami lądowania i podwyższoną odpowiedzią zapalną. Pomimo odnotowanego w trakcie pobytu na ISS wydłużenia telomerów, po zakończeniu misji i powrocie na Ziemię dochodzi do ich nadmiernego skrócenia – zmniejszona ogólna liczba telomerów lub wzrost ilości krytycznie krótkich były obserwowane także u innych astronautów powracających z ISS. Zależność ta może rzutować na przyszły monitoring zdrowia uczestników misji kosmicznych, jako że telomery stanowią istotny biomarker procesów starzenia i rozwoju chorób związanych z wiekiem, takich jak nowotwory i dolegliwości układu sercowo-naczyniowego.
Zależności o potencjalnie wysokim ryzyku
Jako charakteryzujące się potencjalnie najwyższym ryzykiem zakwalifikowano zależności związane nie tyle z samym pobytem na orbicie okołoziemskiej, co z bardzo obciążającym organizm powrotem na Ziemię.
Zespół nerwowo-oczny
Jednym z powszechnych wśród astronautów problemów – dotykającym niemal połowę uczestników misji kosmicznych – jest zespół nerwowo-oczny, wywołany przebywaniem w przestrzeni kosmicznej (ang. spaceflight associated neuro-ocular syndrome, SANS). Podczas przebywania w stanie nieważkości dochodzi do wzrostu ciśnienia, jakie wywierają na gałkę oczną płyny ustrojowe – krew i płyn mózgowordzeniowy, w normalnych warunkach ściągane siłą grawitacji w dół. W rezultacie dochodzi do spłaszczenia siatkówki, spuchnięcia nerwu wzrokowego i rozwoju problemów ze wzrokiem.
Fizjologia naczyń krwionośnych
Zmiany w gospodarce płynów ustrojowych dotykają nie tylko układu wzrokowego, ale także naczyń krwionośnych – niemal 2 litry płynów, na Ziemi ściągane grawitacyjnie ku nogom, trafiają do górnej części ciała, gromadząc się w obrębie głowy. Prowadzi to do wzrostu grubości błony wewnętrznej i środkowej tętnicy szyjnej, rozdęcia naczyń i żył w górnej części ciała, spadku ciśnienia, obniżenia objętości krwi i osocza oraz objętości wyrzutowej serca.
Stres po locie i odpowiedź zapalna
Okres powrotu na Ziemię i procedury lądowania wiążą się z ogromnym obciążeniem organizmu stresem, obserwowanym także jako silna odpowiedź zapalna. W pierwszych dniach od lądowania u astronauty obserwowano znaczne podwyższenie CRP (z 1 do 19 mg/l) i IL1RA. W trakcie trwania misji kosmicznej obserwowano u niego z kolei podwyższone poziomy lizofosfolipidów zawierających prozapalne kwasy tłuszczowe, również mogące wskazywać na aktywny stan zapalny.
Niestabilność genomu i deregulacja ekspresji genów
W trakcie misji kosmicznej u astronauty przebywającego na ISS obserwowano częstsze występowanie translokacji i inwersji DNA, których liczba pozostała podwyższona także po powrocie na Ziemię. Duża liczba genów ulegających różnicowej ekspresji utrzymywała się nawet po 6 miesiącach od zakończenia misji. Ich występowanie wykazano także we wcześniejszych pracach naukowych, wiążąc tę zależność z oddziaływaniem promieniowania kosmicznego i powodowanymi nim uszkodzeń DNA.
Zaburzenia poznawcze
Trwające 6-12 miesięcy misje kosmiczne mogą prowadzić do pogorszenia funkcji poznawczych, co może odgrywać rolę w planowaniu dłuższych operacji (jak np. lądowania na Marsie). Szczególnym zagrożeniem dla astronautów, operujących skomplikowanym sprzętem i wykonującymi liczne czynności wymagające wysokiej dokładności, może być obserwowane pogorszenie funkcji poznawczych w obrębie domen związanych z szybkością i precyzją reakcji.
Źródło:
- https://www.nasa.gov/humans-in-space/twins-study/
- Francine E. Garrett-Bakelman et al., The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science 364: eaau8650 (2019).