Astronauten worden geconfronteerd met veel uitdagingen voor hun gezondheid, vanwege de uitzonderlijke omstandigheden van ruimtevluchten. Hiertoe behoren verschillende infectieuze microben die hun onderdrukte immuunsysteem kunnen aanvallen.

Nutsvoorzieningen, in de eerste studie in zijn soort, Cheryl Nickerson, hoofdauteur Jennifer Barrila en hun collega's beschrijven de infectie van menselijke cellen door de darmpathogeen Salmonella Typhimurium tijdens ruimtevluchten. Ze laten zien hoe de microzwaartekrachtomgeving van ruimtevluchten het moleculaire profiel van menselijke darmcellen verandert en hoe deze expressiepatronen verder veranderen als reactie op infectie. In een andere eerste, de onderzoekers waren ook in staat om moleculaire veranderingen in de bacteriële ziekteverwekker te detecteren terwijl ze zich in de geïnfecteerde gastheercellen bevonden.

De resultaten bieden nieuwe inzichten in het infectieproces en kunnen leiden tot nieuwe methoden voor de bestrijding van invasieve ziekteverwekkers tijdens ruimtevluchten en onder minder exotische omstandigheden hier op aarde.

De resultaten van hun inspanningen verschijnen in het huidige nummer van het tijdschrift Nature Publishing Group npj Microzwaartekracht .

Missie Controle

In de studie, menselijke darmepitheelcellen werden gekweekt aan boord van Space Shuttle-missie STS-131, waarbij een subset van de kweken ofwel geïnfecteerd was met Salmonella of als niet-geïnfecteerde controles bleef.

Het nieuwe onderzoek bracht globale veranderingen aan het licht in RNA- en eiwitexpressie in menselijke cellen en RNA-expressie in bacteriële cellen in vergelijking met controlemonsters op de grond en versterkt de eerdere bevindingen van het team dat ruimtevlucht het potentieel van infectieziekten kan vergroten.

Nickerson en Barrila, onderzoekers in het Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, samen met hun collega's, hebben ruimtevluchten gebruikt als een uniek experimenteel hulpmiddel om te bestuderen hoe veranderingen in fysieke krachten, zoals die geassocieerd met de microzwaartekrachtomgeving, kan de reacties van zowel de gastheer als de ziekteverwekker tijdens infectie veranderen. Nickerson is ook een professor in de School of Life Sciences aan de ASU.

In een eerdere reeks baanbrekende ruimtevluchten en analoge ruimtevluchtstudies op de grond, Het team van Nickerson toonde aan dat de ruimtevluchtomgeving de ziekteverwekkende eigenschappen of virulentie van pathogene organismen zoals Salmonella kan versterken op manieren die niet werden waargenomen toen hetzelfde organisme onder conventionele omstandigheden in het laboratorium werd gekweekt.

De onderzoeken leverden aanwijzingen op over de onderliggende mechanismen van de verhoogde virulentie en hoe deze getemd of te slim af was. Echter, deze studies werden gedaan toen alleen de Salmonella werden gekweekt in ruimtevluchten en de infecties werden gedaan toen de bacteriën werden teruggestuurd naar de aarde.

"We waarderen de kans die NASA ons team heeft geboden om het hele infectieproces tijdens ruimtevluchten te bestuderen, die nieuw inzicht verschaft in de mechanobiologie van infectieziekten die kan worden gebruikt om de gezondheid van astronauten te beschermen en de risico's van infectieziekten te verminderen, Nickerson zegt over de nieuwe studie. "Dit wordt steeds belangrijker naarmate we overgaan op langere menselijke verkenningsmissies die verder van onze planeet verwijderd zijn."

Een bekende tegenstander onderzoeken

Salmonella-stammen waarvan bekend is dat ze mensen infecteren, blijven de samenleving verwoesten, zoals ze dat sinds de oudheid hebben gedaan, veroorzaakt ongeveer 1,35 miljoen door voedsel overgedragen infecties, 26, 500 ziekenhuisopnames, en 420 doden per jaar in de Verenigde Staten, volgens de Centers for Disease Control. De ziekteverwekker komt het menselijk lichaam binnen via de inname van besmet voedsel en water, waar het hecht en binnendringt in het darmweefsel. Het infectieproces is een dynamische dans tussen gastheer en microbe, het ritme wordt bepaald door de biologische en fysieke signalen die aanwezig zijn in de omgeving van het weefsel.

Ondanks tientallen jaren van intensief onderzoek, wetenschappers moeten nog veel leren over de subtiliteiten van pathogene infectie van menselijke cellen. Invasieve bacteriën zoals Salmonella hebben geavanceerde tegenmaatregelen ontwikkeld tegen de menselijke afweer, waardoor ze kunnen gedijen onder vijandige omstandigheden in de menselijke maag en darmen om heimelijk het immuunsysteem te ontwijken, waardoor ze zeer effectieve ziekteverwekkers zijn.

De kwestie is van bijzonder medisch belang voor astronauten tijdens ruimtevluchtmissies. Hun immuunsysteem en gastro-intestinale functie worden veranderd door de ontberingen van ruimtereizen, terwijl de effecten van lage zwaartekracht en andere variabelen van de ruimtevluchtomgeving de ziekteverwekkende eigenschappen van liftende microben kunnen versterken, zoals Salmonella. Deze combinatie van factoren brengt unieke risico's met zich mee voor ruimtereizigers die honderden kilometers boven de aarde werken - ver verwijderd van ziekenhuizen en passende medische zorg.

Naarmate de technologie vordert, naar verwachting zal ruimtevaart frequenter worden - voor ruimteverkenning, biowetenschappelijk onderzoek, en zelfs als vrijetijdsbesteding (voor degenen die het zich kunnen veroorloven). Verder, uitgebreide missies met menselijke bemanningen zijn aan de horizon voor NASA en misschien ruimtereizende bedrijven zoals SpaceX, inclusief reizen naar de maan en Mars. Als u bacteriële infecties niet op afstand houdt, kan dit ernstige gevolgen hebben.

Verbergen en volgen

In de huidige studie, menselijke darmepitheelcellen, het belangrijkste doelwit voor invasieve Salmonella-bacteriën, tijdens een ruimtevlucht besmet waren met Salmonella. De onderzoekers wilden graag onderzoeken hoe de ruimtevluchtomgeving de transcriptie van menselijk en bacterieel DNA in RNA beïnvloedde. evenals de expressie van de resulterende reeks menselijke eiwitten geproduceerd uit de RNA-code, producten van een proces dat vertaling wordt genoemd.

Het onderzoek omvatte een nauwkeurig onderzoek van transcriptionele profielen van zowel de pathogene Salmonella als de menselijke cellen die ze aanvallen, evenals de eiwitexpressieprofielen van de menselijke cellen om de effecten van de ruimtevluchtomgeving op de gastheer-pathogeendynamiek te meten.

Om dit te bereiken, onderzoekers gebruikten een revolutionaire methode die bekend staat als dual RNA-Seq, die deep sequencing-technologie toepaste om hun evaluatie van gastheer- en ziekteverwekkergedrag onder microzwaartekracht tijdens het infectieproces mogelijk te maken en een vergelijking mogelijk maakte met de eerdere experimenten van het team aan boord van de Space Shuttle.

De gastheer- en pathogeengegevens die zijn teruggevonden uit ruimtevluchtexperimenten werden vergeleken met die verkregen toen cellen op aarde werden gekweekt in identieke hardware- en kweekomstandigheden (bijv. media, temperatuur).

Aarde en lucht

Eerdere studies door Nickerson en haar collega's toonden aan dat analoge ruimtevluchtculturen van Salmonella op de grond globale veranderingen vertoonden in hun transcriptionele en proteomische (eiwit) expressie, verhoogde virulentie, en verbeterde stressbestendigheid - bevindingen vergelijkbaar met die van hun experimenten op STS-115- en STS-123 Space Shuttle-missies.

Echter, deze eerdere ruimtevluchtstudies werden gedaan toen alleen de Salmonella in ruimtevluchten werden gekweekt en de infecties werden gedaan toen de bacteriën naar de aarde werden teruggebracht.

In tegenstelling tot, de nieuwe studie verkent voor de eerste keer, een co-cultuur van menselijke cellen en pathogeen tijdens ruimtevluchten, een unieke kijk op het infectieproces bieden. Het experiment, STL-IMMUUN genoemd, maakte deel uit van de Space Tissue Loss-lading aan boord van STS-131, een van de laatste vier missies van de Space Shuttle voorafgaand aan zijn pensionering.

De menselijke darmepitheelcellen werden de ruimte in gelanceerd (of onderhouden in een laboratorium in het Kennedy Space Center voor grondcontroles) in driedimensionale (3-D) weefselkweeksystemen die holle-vezelbioreactoren worden genoemd. De hollevezelbioreactoren bevatten elk honderden kleine, poreuze stroachtige vezels bedekt met collageen waarop de darmcellen hechtten en groeiden. Deze bioreactoren werden onderhouden in de celkweekmodule, een geautomatiseerd hardwaresysteem dat warm pompte, geoxygeneerde celkweekmedia door de kleine vezels om de cellen gezond en groeiend te houden totdat ze klaar waren voor infectie met Salmonella.

Eenmaal in een baan, astronauten aan boord van STS-131 activeerden de hardware. Elf dagen later, S. Typhimurium-cellen werden automatisch geïnjecteerd in een subset van de holle-vezelbioreactoren, waar ze hun doelwit tegenkwamen - een laag menselijke epitheelcellen.

De RNA-Seq- en proteomische profielen toonden significante verschillen tussen niet-geïnfecteerde darmepitheelculturen in de ruimte versus die op aarde. Deze veranderingen omvatten belangrijke eiwitten die belangrijk zijn voor de celstructuur, evenals genen die belangrijk zijn voor het in stand houden van de darmepitheelbarrière, celdifferentiatie, proliferatie, wondgenezing en kanker. Op basis van hun profielen niet-geïnfecteerde cellen die aan ruimtevluchten worden blootgesteld, kunnen een verminderd vermogen tot proliferatie vertonen, opzichte van grondcontroleculturen.

Infecties ver van huis

Menselijke darmepitheelcellen fungeren als kritische schildwachten van de aangeboren immuunfunctie. De resultaten van het experiment toonden aan dat ruimtevlucht globale veranderingen kan veroorzaken in het transcriptoom en proteoom van menselijke epitheelcellen, zowel geïnfecteerd als niet-geïnfecteerd.

Tijdens ruimtevluchten, 27 RNA-transcripten werden op unieke wijze gewijzigd in darmcellen als reactie op infectie, opnieuw de unieke invloed van de ruimtevluchtomgeving op de gastheer-pathogeen-interactie vaststellen. De onderzoekers observeerden ook 35 transcripten die vaak werden gewijzigd in zowel ruimtegebaseerde als grondgebaseerde cellen, met 28 genen die in dezelfde richting worden gereguleerd. Deze bevindingen bevestigden dat ten minste een subset van de infectie-biosignaturen waarvan bekend is dat ze op aarde voorkomen, ook voorkomen tijdens ruimtevluchten. In vergelijking met niet-geïnfecteerde controles, geïnfecteerde cellen in beide omgevingen vertoonden genregulatie geassocieerd met ontsteking, een kenmerkend effect van Salmonella-infectie.

Bacteriële transcripten werden ook gelijktijdig gedetecteerd in de geïnfecteerde gastheercellen en duidden op opregulatie van genen geassocieerd met pathogenese, inclusief antibioticaresistentie en stressreacties.

De bevindingen helpen de weg vrijmaken voor betere inspanningen om de gezondheid van astronauten te beschermen, misschien door het gebruik van voedingssupplementen of probiotische microben. Lopende studies van dit soort, die moeten worden uitgevoerd aan boord van het internationale ruimtestation en andere ruimtehabitats, moeten de vele mysteries die verband houden met pathogene infecties en het brede scala aan menselijke ziekten waarvoor ze verantwoordelijk zijn, verder belichten.

"Voordat we met deze studie begonnen, we hadden uitgebreide gegevens die aantoonden dat ruimtevlucht Salmonella op elk niveau volledig herprogrammeerde om een ​​betere ziekteverwekker te worden, " zegt Barrila. "Apart, we wisten dat ruimtevluchten ook invloed hadden op verschillende belangrijke structurele en functionele kenmerken van menselijke cellen die Salmonella normaal gesproken uitbuit tijdens infecties op aarde. Echter, er waren geen gegevens die aantoonden wat er zou gebeuren als beide celtypen elkaar tijdens infectie in de microzwaartekrachtomgeving zouden ontmoeten. Onze studie geeft aan dat er een aantal behoorlijk grote veranderingen zijn in het moleculaire landschap van het darmepitheel als reactie op ruimtevluchten, en dit wereldwijde landschap lijkt verder te veranderen tijdens infectie met Salmonella."