Een nieuwe studie van de Northwestern University ontdekte dat ruimtevluchten - zowel aan boord van een spaceshuttle als het International Space Station (ISS) - een consistent effect hebben op het darmmicrobioom

De Noordwest-onderzoekers ontwikkelden al in 2011 een nieuw analytisch hulpmiddel om microbioomgegevens van muizen te vergelijken. Genaamd STARMAPS (Similarity Test for Accordant and Reproducible Microbiome Abundance Patterns), de tool geeft aan dat ruimtevlucht een specifiek, consistente verandering op de overvloed, verhoudingen en diversiteit van bacteriën in de darm.

Misschien wel het meest verrassend, het team gebruikte ook STARMAPS om ruimtevluchtgegevens te vergelijken met gegevens die zijn verzameld uit op aarde gebaseerde onderzoeken naar de effecten van straling op de darm. Ze sloten effectief ruimtestraling uit als de oorzaak van veranderingen in het microbioom tijdens ruimtevluchten.

"Straling heeft zeker effect op het darmmicrobioom, " zei Martha Vitaterna van Northwestern, die de studie leidde. "Maar die effecten lijken niet op wat we zagen in de ruimtevlucht."

De studie verscheen vorige week in het tijdschrift Microbiome. Vitaterna is een onderzoeksprofessor in neurobiologie aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Peng Jiang, onderzoeksassistent-professor neurobiologie aan Weinberg, was de eerste auteur van het papier.

Vitaterna en oude medewerker Fred W. Turek, ook uit het noordwesten, leidde de microbioomsectie van NASA's Twin Study, die fysiologische veranderingen in astronaut Scott Kelly vergeleek met zijn aan de aarde gebonden tweeling Mark. Hoewel de Turek en Vitaterna ontdekten dat een jaar in de ruimte het darmmicrobioom van astronaut Scott Kelly aantastte, het waren niet genoeg gegevens om algemene conclusies te trekken over de effecten van ruimtevluchten op het menselijk lichaam.

"Als we mensen naar Mars gaan sturen of op lange missies naar de maan, het is essentieel om de effecten van langdurige blootstelling van de ruimteomgeving op ons te begrijpen - en op de biljoenen bacteriën die met ons meereizen, " zei Turek, de Charles en Emma Morrison hoogleraar neurobiologie in Weinberg, die co-auteur van het artikel was. "Terwijl we de effecten van een jaar in de ruimte op de microbiota van Scott Kelly hebben bestudeerd, we moeten muizen in grotere aantallen gebruiken om de effecten van de ruimte vast te stellen."

Noodzaak levert gereedschap op

NASA heeft jarenlang de effecten van microzwaartekracht op de biologische processen van muizen bestudeerd. In het najaar van 2014, het leverde zijn eerste groep muizen af ​​aan het ISS voor een verblijf van 37 dagen. Sinds dat experiment (genaamd Rodent Research-1), NASA heeft vervolgens nog zeven groepen muizen aan het ISS geleverd, inclusief het knaagdieronderzoek-7-experiment van het Northwestern-team.

Vitaterna en Jiang begonnen met monsters van Rodent Research-1, waaronder de ruimtevluchtgroep plus een bijpassende grondcontrolegroep, een baselinegroep en een laboratoriumgroep die voor dezelfde duur van de reis in een conventionele muizenfaciliteit was gehuisvest. Ze keken ook naar muismonsters van de laatste Amerikaanse spaceshuttle-missie, STS 135, die in 2011 gelanceerd werd.

Onderzoekers hebben moeite gehad om alle gegevens te kraken vanwege de enorme hoeveelheid ervan. Er zijn honderden verschillende bacteriesoorten in de darm, en verschillende individuen kunnen aan het begin van een experiment enorm verschillende darmbacteriële gemeenschappen hebben. Dit maakt het een uitdaging om te detecteren wanneer er een consistente reactie is.

"Er was geen statistische benadering om dit werk te doen, "Zei Vitaterna. "De tools bestonden niet, dus hebben we ze uitgevonden. Het is een klassiek geval van hoe noodzaak de moeder van de uitvinding is."

"We wisten dat ruimtevluchten het microbioom aantasten, dus we hadden dit anekdotisch kunnen bekijken, Jiang zei. "Maar daar zijn veel beperkingen aan. We hadden behoefte aan een meer uitgebreide, uitzicht op hoog niveau. Dan zouden we kunnen zeggen dat veranderingen in het microbioom vergelijkbaar zijn tussen meerdere ruimtevluchten."

Het microbioom in kaart brengen

STARMAPS biedt een nieuwe methode om alle gegevens van verschillende experimenten in dezelfde multidimensionale ruimte te plaatsen. Gebruikers kunnen dan gemakkelijker patronen zien waarin verschillende soorten bacteriën onder verschillende omstandigheden meer of minder voorkomen.

Met behulp van dit hulpmiddel, de noordwestelijke onderzoekers merkten meteen dat microbiomen in de ruimtevlucht- en grondcontrolemuizen er heel anders uitzagen dan de andere twee groepen. De grondcontrolegroep leeft in een omgevingssimulator die direct aansluit bij de ruimtevluchthabitats. De gassamenstelling, temperatuur en voeding zijn precies hetzelfde.

"We ontdekten dat habitat een grote impact heeft, ' zei Vitaterna.

Hoewel de onderzoekers STARMAPS niet gebruikten om monsters te analyseren die tijdens zijn jaar in de ruimte van astronaut Scott Kelly waren verzameld, ze merkten wel dat zijn gegevens hetzelfde waren, consistent patroon veroorzaakt door ruimtevluchten.

"Sommige veranderingen op hoog niveau zijn vergelijkbaar, " zei Jiang. "We zagen de verhoudingen van dezelfde belangrijke soorten bacteriën in dezelfde richting veranderen en een lichte toename van de algehele diversiteit. Dat is consequent."

Straling uitsluiten

Maar, nog altijd, de microbiomen van de ruimtevlucht- en grondcontrolemuizen waren behoorlijk verschillend van elkaar. Dit bewijst dat er een duidelijk effect is van ruimtevluchten. Om erachter te komen wat dat effect zou kunnen veroorzaken, de onderzoekers groeven dieper.

Een mogelijkheid was dat blootstelling aan straling in de ruimte de microbioomverschuiving zou kunnen veroorzaken. Jiang vond meerdere op aarde gebaseerde onderzoeken naar de effecten van straling op het microbioom van de muis en analyseerde deze met STARMAPS. Ze ontdekten dat de microbioomverschuivingen veroorzaakt door ruimtevlucht versus straling niet overeenkwamen.

Vitaterna en Jiang geloven dat microzwaartekracht het ruimtevluchteffect kan veroorzaken, maar ze zijn het erover eens dat er meer werk moet worden verzet. Ze verwerken momenteel monsters van Rodent Research-7 en hopen dat de gegevens meer aanwijzingen zullen bevatten. Vitaterna zei dat de diversiteit en verhoudingen van darmbacteriën tijdens ruimtevluchten het meest lijken op stress.

"Inzicht in de factoren die dit soort microbioomverandering kunnen verminderen, zou nuttige informatie zijn om de effecten van stress op aarde te compenseren, " zei ze. "Begrijpen welke genetische factoren bijdragen aan verschillen in bacteriële stammen zal nuttig zijn voor het ontwikkelen van tegenmaatregelen die uw microbioom kunnen beschermen tijdens stressvolle perioden."