Rymdfärd gör en del konstiga saker med astronauternas kroppar

Astronauten Karen Nyburg använder ett fundoskop för en synundersökning ombord på den internationella rymdstationen. NASA

Astronauten Scott Kelly levde och arbetade på den internationella rymdstationen i 340 dagar - den längsta tid en amerikan har tillbringat i rymden. Hans uppdrag gav forskare en viss viktig inblick i vad som händer med människokroppen under långvariga vistelser i omloppsbana. Det beror på att Kelly har en identisk tvilling, Mark (också en astronaut, och nu snart en amerikansk senator). Kelly-tvillingarna erbjöd forskare en sällsynt möjlighet: när de studerade vad som hände med Scotts kropp under hans år i rymden, hade de fördelen av en kontrollperson, Mark, som stannade på jorden.

De NASAs tvillingstudie gav mer bevis för vad vi redan misstänkte. I en instängd kapsel under mikrogravitation och långvarig exponering för strålning, får immunsystemet ett slag, ögat ändrar form till det sämre och det finns en viss betydande förlust av muskel- och benmassa.

Men vi lärde oss också om några överraskande effekter. Kelly upplevde förändringar i sin tarmmikrobiom, hans kognitiva förmågor saktade ner, vissa gener stängdes av och på och hans kromosomer upplevde strukturella förändringar.

Tvillingstudien gav oss en första skiss av människokroppens molekylära svar på rymdfärder, men dessa konturer behövde fyllas i, säger Christopher Mason, docent i fysiologi och biofysik vid Weill Cornell Medicine. De förändringar vi såg behövde mer sammanhang och replikering. Vi behövde ytterligare studier för att kartlägga frekvensen av de förändringar vi observerade hos andra astronauter, och andra organismer, som går ut i rymden, och även för att se om graden av förändring var liknande för kortare uppdrag.

Det för oss till ett nytt forskningspaket som bygger på tvillingstudien, som analyserar en del av originaldata med nya tekniker och ger jämförelser med andra astronauter. I en uppsättning av 19 studier publicerade idag i en rad olika tidskrifter (tillsammans med 10 preprints som fortfarande är under peer review), studerade forskare som Mason (en senior författare på 14 av tidningarna) de fysiologiska, biokemiska och genetiska förändringarna som inträffade i 56 astronauter (inklusive Kelly) som har tillbringat tid i rymden – den största studien i sitt slag som någonsin genomförts.

De nya artiklarna, som innehåller resultat från cellprofilerings- och gensekvenseringstekniker som har blivit lättare att köra först nyligen, avslöjar att det finns vissa egenskaper hos rymdfärder som konsekvent uppträder hos människor, möss och andra djur när de går till rymden, säger Mason. Det verkar finnas en central uppsättning däggdjur av anpassningar och svar på rymdfärdens påfrestningar.

Det goda, det dåliga och det oförklarliga

Forskarna lyfter fram sex biologiska förändringar som uppstår hos alla astronauter under rymdfärd: oxidativ stress (en överdriven ansamling av fria radikaler i kroppens celler), DNA-skador, dysfunktion i mitokondrierna, förändringar i genreglering, förändringar i längden på telomerer (ändarna på kromosomerna, som förkortar med åldern), och förändringar i tarmmikrobiomet.

Av dessa sex förändringar var den största och mest överraskande för forskare mitokondriell dysfunktion . Mitokondrier spelar en avgörande roll för att producera den kemiska energi som krävs för att hålla cellerna – och i förlängningen, vävnader och organ – funktionella. Forskare fann oregelbunden mitokondrieprestanda hos dussintals astronauter och kunde i stort sett karakterisera dessa förändringar tack vare nya genomik och proteomiktekniker. Afshin Beheshti, bioinformatiker vid NASA och senior författare till en studie , säger mitokondriell undertryckning hjälper till att förklara hur många av problemen astronauter upplevde (som brister i immunsystemet, störd dygnsrytm och organkomplikationer) faktiskt är holistiskt relaterade till varandra, eftersom de alla är beroende av samma metabola vägar.

När du är i rymden är det inte bara ett är eller ett organ som påverkas, det är hela kroppen som påverkas, säger Beheshti. 'Vi började koppla ihop prickarna.'

Annan forskning inriktade sig på problem som observerats på genetisk nivå. Tvillingstudien visade att Kellys telomerer blev längre i rymden innan de krympte tillbaka till normala eller till och med kortare längder strax efter att han återvänt till jorden. Telomerer är tänkta att förkortas med åldern, så förlängning är inte meningsfullt, och tvillingstudien gav inte tillräckligt med data för att få några verkliga slutsatser om varför det hände och vilka effekterna var.

Susan Bailey, expert på telomerforskning från Colorado State University och senior författare för flera av tidningarna, säger att den nya forskningen fann att 10 andra astronauter upplevde samma telomerförlängning Kelly gjorde det oavsett uppdragets varaktighet – liksom att samma telomer krympte när de kom tillbaka till jorden.

En av tidningarna i det nya paketet fann att längre telomerer också var förknippade med klättrare på Mount Everest. För Bailey och hennes kollegor tyder detta på att telomerförlängning är påverkas av oxidativ stress — något som både klättrare och astronauter upplever och som stör korrekt telomerunderhåll.

Astronauten Akihiko Hoshide drar blod från sin ven på ISS.

NASA

De försöker fortfarande peka ut hur dessa vägar fungerar och exakt vilka konsekvenserna kan bli ( det är förmodligen ingen hemlighet för lång livslängd ), men vi har nu en grund att bygga på – vi vet vad vi ska leta efter och vara medvetna om hos framtida astronauter på långvariga [och rymden] utforskningsuppdrag, säger hon.

Även om några av förändringarna är oväntade, är många ingen anledning till oro. Det som är fantastiskt för mig är hur väl vi anpassar oss till rymden, säger Jeffrey Sutton, chef för Baylor College of Medicines Center for Space Medicine, som inte var involverad i den nya forskningen. Blodcellsmutationer minskade i Kelly medan han var i rymden (en total överraskning för Mason). Astronauter ställde också ut minskade nivåer av biomarkörer associerade med åldrande och ökade nivåer av mikroRNA som reglerar kärlsystemets svar på strålningsskador och mikrogravitation. Ett av de märkligaste fynden var att astronauternas tarmmikrobiomer lyckades föra rymdmikrober som hittats på ISS tillbaka till jorden.

Studierna individuellt och kollektivt är verkligen imponerande, säger Sutton. Vi har gått in i en ny era av rymdbiomedicinsk forskning, där tillvägagångssätten och verktygen för precisionsmedicin och translationell medicin används för att främja vår förståelse av mänsklig anpassning till rymden.

Långsiktiga bekymmer

I slutändan belyser dock uppgifterna hur mycket förödelse och stress även de friskaste kropparna utsätts för under rymduppdrag - vilket borde ha en inverkan på planeringen för längre uppdrag. Jag tror inte att vi är i närheten av att skicka otränade människor ut i rymden under riktigt långa tidsperioder, säger Scott Kelly.

Fysiologiskt tror han att det förmodligen är säkert att skicka människor till Mars och tillbaka. Men i en avlägsen framtid, istället för att åka till Mars, kommer vi att åka till Jupiters eller Saturnus månar, säger han. Du kommer att vara i rymden i flera år. Och vid den tidpunkten måste vi titta närmare på artificiell gravitation som en dämpning. Jag skulle inte vilja anlända till ytan av en annan planetkropp och inte kunna fungera. Ett år eller så är genomförbart. Flera år är det förmodligen inte.

Scott Kelly använder ultraljud för att avbilda sin halsven med hjälp av Gennady Padalka, för att utvärdera effektiviteten av en motåtgärd för negativt tryck under kroppen som används för att vända den vätskeförskjutning framåt som sker i rymdens viktlöshetsmiljö.

NASA

Vi är fortfarande långt ifrån att behöva utvärdera den typen av risker. Mason och hans kollegor föreslår att det borde finnas farmakologiska strategier för att minska gravitationens inverkan på kropparna hos återvändande astronauter.

tror Sutton precisionsmedicin skulle kunna spela en stor roll i att skräddarsy dessa droger för att skydda astronauter mot effekterna av mikrogravitation och strålning. Och de delade biologiska svaren mellan astronauter och Mount Everest-klättrare tyder på att vissa ingrepp som används för att skydda extremsportidrottare från oxidativ stress också kan tillämpas på astronauter.

Vad vi behöver är mer data – och fler populationer att använda för jämförelse. Mason, Bailey och deras kollegor börjar samla in cell- och genprofiler för fler astronauter , särskilt de som åker på framtida årslånga uppdrag. De vill också studera människor som har upplevt andra tillstånd som på något sätt liknar rymdfärder, såsom strålbehandlingspatienter, piloter och flygvärdinnor.

Ju mer vi vet om hälsoeffekterna av långvarig rymdfärd, desto bättre kan vi hjälpa till att upprätthålla astronauternas hälsa och prestanda under och efter rymdfärd, säger Bailey. Sådan kunskap gynnar också de av oss på jorden - vi är alla oroade över att bli äldre och ha dålig hälsa.

Det här inlägget har uppdaterats med kommentarer från Afshin Beheshti.

Dölj