Microzwaartekracht in de ruimte verstoort de menselijke fysiologie en is schadelijk voor de gezondheid van astronauten, een feit dat zich voor het eerst realiseerde tijdens vroege Apollo-missies toen astronauten last hadden van verstoringen van het binnenoor, hartritmestoornissen, lage bloeddruk, uitdroging, en verlies van calcium uit hun botten na hun missies.

Een van de meest opvallende observaties van Apollo-missies was dat iets meer dan de helft van de astronauten binnen een week na terugkeer op aarde ziek werd van verkoudheid of andere infecties. Sommige astronauten hebben zelfs de heractivering van slapende virussen meegemaakt, zoals het waterpokkenvirus. Deze bevindingen stimuleerden studies naar de effecten van zwakke zwaartekracht, of "microzwaartekracht, " op het immuunsysteem, die wetenschappers decennialang hebben onderzocht op het lanceren van bemande raketten, shuttle reizen en ruimtestation stints, of soms door de zwaartekracht van de ruimte te simuleren in aardgebonden laboratoria.

In de laatste studie onder leiding van een van de eerste vrouwelijke astronauten, Millie Hughes Fulford, doctoraat, onderzoekers van UCSF en Stanford University hebben nu aangetoond dat de verzwakking van het immuunsysteem van een astronaut tijdens ruimtereizen waarschijnlijk gedeeltelijk te wijten is aan abnormale activering van immuuncellen die T-regulatorcellen (Tregs) worden genoemd.

Tregs worden normaal gesproken getriggerd om de immuunrespons af te zwakken wanneer infectie niet langer dreigt en zijn belangrijke regulatoren van immuunresponsen bij ziekten variërend van kanker tot COVID-19. In microzwaartekrachtomstandigheden, echter, de onderzoekers vonden veranderingen in Tregs die hen voorbereidden om aan het werk te gaan, zelfs voordat het immuunsysteem werd uitgedaagd. Toen ze een immuunrespons stimuleerden in menselijke immuuncellen uit bloedmonsters in microzwaartekracht, met een chemische stof die vaak in onderzoek wordt gebruikt om een ​​ziekteverwekker na te bootsen, ze ontdekten dat Tregs hielp bij het onderdrukken van de immuunrespons die werd geactiveerd. Deze onverwachte ontdekking wordt op 7 juni online gepubliceerd in het tijdschrift Nature Wetenschappelijke rapporten .

Hughes-Fulford werd in 1991 met haar experimenten de eerste vrouwelijke payloadspecialist die in een baan om de aarde cirkelde. en al tientallen jaren tot haar dood als gevolg van leukemie in februari, ze bestudeerde de effecten van microzwaartekracht op de gezondheid, eerst met de nadruk op osteoporose en later met de nadruk op het immuunsysteem. Als onderzoeker aan het San Francisco Veterans Affairs Medical Center en een UCSF-faculteitslid dat al lang verbonden is aan het Department of Medicine, Hughes-Fulford begeleidde aspirant-ruimtewetenschappers, inclusief de co-hoofdonderzoekers van deze nieuwste immunologische studie.

Jordan Spatz, doctoraat, een ruimtewetenschapper en UCSF-medische student die co-PI van de studie werd na de dood van Hughes-Fulford, merkte op dat naarmate ruimtevaart steeds meer gecommercialiseerd en gebruikelijker wordt, bezorgdheid over de gezondheidstoestand van ruimtereizigers zal waarschijnlijk toenemen.

"Vroeg in het ruimteprogramma, de meeste astronauten waren jong en extreem gezond, maar nu hebben ze veel meer training en zijn ze ouder, " zei Spatz. "Bovendien, behalve astronauten, met de commercialisering van ruimtevluchten zullen er veel meer oudere en minder gezonde individuen zijn die microzwaartekracht ervaren. Vanuit een ruimte medisch perspectief, we zien dat microzwaartekracht veel slechte dingen doet met het menselijk lichaam, en we hopen de mogelijkheid te krijgen om enkele van de effecten van microzwaartekracht tijdens ruimtereizen te verzachten."

De nieuwe studie bracht eerder onderzoek onder leiding van Hughes-Fulford voort, wat enkele van haar eerdere bevindingen bevestigt van experimenten in de ruimte en in gesimuleerde microzwaartekracht, terwijl het bijdraagt ​​aan aanvullende moleculaire ontdekkingen. Hughes-Fulford had eerder zwakkere reacties gevonden van T-lymfocyten van het immuunsysteem, waarvan sommige specifieke ziekteverwekkers rechtstreeks aanvallen en andere helpen bij het orkestreren van de immuunrespons.

"Het is een dubbele klap, " zei co-PI Brice Gaudilliere, MD, doctoraat, een universitair hoofddocent bij de afdeling anesthesie aan de Stanford University School of Medicine. "Er is een demping van de immuunactiveringsreacties van T-lymfocyten, maar ook een verergering van immunosuppressieve reacties door Tregs." De onderzoekers ontdekten ook dat "natural killer"-lymfocyten minder actief waren onder gesimuleerde microzwaartekracht, terwijl antilichaamproducerende B-cellen onaangetast leken te zijn.

De onderzoekers simuleerden microzwaartekracht in bloedmonsters met een gespecialiseerde, cilindrisch, celkweekvat met motoraangedreven rotatie, een al lang bestaand onderzoeksinstrument voor microzwaartekracht, maar de methode van eencellige analyse was uniek. De wetenschappers identificeerden individuele immuuncellen per specifiek type en gebruikten metalen tags en massaspectroscopie om tegelijkertijd tientallen eiwitten te detecteren en te kwantificeren die een rol spelen bij de immuunfunctie. naast het bevestigen van eerder geïdentificeerde patronen van veranderde genactivering.