Dziesięć zespołów badawczych przeprowadziło razem badania dwóch bliźniaków, astronautów NASA. Naukowcy porównali zmiany w ich organizmach podczas, gdy jeden z nich przebywał prawie rok na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, a drugi pozostawał na Ziemi. Jak warunki kosmiczne wpływają na organizm ludzki i czym różnili się bracia po wykonanej misji kosmicznej przez jednego z nich?
Wyniki badania w skrócie
- NASA porównała fizjologię bliźniaków - jeden z nich spędził prawie rok na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, drugi pozostawał na Ziemi
- większość badanych parametrów biologicznych wróciła u astronauty do wartości bazowych po powrocie na Ziemię
- naukowcy dysponują pierwszym tak kompleksowym zbiorem wiedzy na temat wpływu misji kosmicznych na organizm człowieka, wiedza ta pomoże w przygotowaniu do długich misji na Księżyc i w kierunku Marsa
W latach 2015-2016 NASA po raz pierwszy w historii przeprowadziła tak szeroko zakrojone badania jak długotrwałe przebywanie w warunkach przestrzeni kosmicznej wpływa na ludzkie ciało. Dwóch jednojajowych bliźniaków, byłych astronautów NASA: Scott i Mark Kelly wzięło udział w projekcie “Twin Study”. Mark pozostawał w czasie badania na Ziemi, pozostawając punktem odniesienia. Scott poleciał na Międzynarodową Stację Kosmiczną, gdzie uczestniczył w czterech ekspedycjach i stał się pierwszym amerykańskim astronautą, który spędził niemal rok na orbicie (dokładnie 340 dni). W najnowszym wydaniu czasopisma Science (11 kwietnia 2019) 10 grup badawczych opublikowało zbiorczy artykuł podsumowujący wyniki badania.
Wyniki badań przedstawiają m.in. to jak przebywanie w przestrzeni kosmicznej wpłynęło na ekspresję genów (czyli to jak informacja genetyczna jest odczytywana i jakie produkty z tego odczytu powstają), jak w takich warunkach działa system odpornościowy i jak te warunki wpływają na telomery (fragmenty chromosomów odpowiedzialne za ochronę przed uszkodzeniami podczas procesu kopiowania nici DNA). Okazało się na przykład, że telomery w chromosomach komórek białych krwinek Scotta Kellyego niespodziewanie wydłużyły się w przestrzeni kosmicznej i powróciły do swoich pierwotnych wymiarów niedługo po powrocie na Ziemię. Nic takiego nie działo się w tym czasie u jego brata bliźniaka, pozostającego na Ziemi.
Cieszyć może fakt dobrej reakcji układu odpornościowego na kosmiczne warunki. Jednym z takich przykładów jest prawidłowe działanie szczepionki przeciw grypie, która została podana Scottowi na pokładzie ISS.
Naukowcy zaobserwowali też zmiany w ekspresji genów u Scotta, gdy ten przebywał na orbicie. Sposób w jaki ekspresja genów zmienia się pod wpływem zmian środowiska może mieć wpływ na zdrowie astronautów. Większość zmian zaobserwowanych u Scotta ustąpiły sześć miesięcy po powrocie na Ziemię. Niektóre jednak związane z odpornością i systemem naprawy DNA nie powróciły do pierwotnego stanu. Badacze dowiedzieli się też, które z genów trzeba będzie poddać szczegółowej kontroli podczas monitorowania stanu zdrowia przyszłych astronautów.
Jak podkreśla Jennifer Fogarty, główny naukowiec Human Research Program z Johnson Space Center w Houston, Twin Study dało pierwszy taki całościowy wgląd na poziomie molekularnym na zmiany genetyczne w ludzkim ciele, a dane z badania będą analizowane jeszcze długie lata.
Ludzkie ciało w warunkach lotu kosmicznego - 10 obszarów badań
Badania porównawcze bliźniaków były przeprowadzane w latach 2015-2016. Zarówno Scott jak i Mark uczestniczyli w szeregu badań biomedycznych, które były przeprowadzane równolegle na Ziemi i na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Dane zbierano łącznie przez 27 miesięcy.
Obszary badań (podział na zespoły):
- biochemia
- ekspresja genowa
- proteomika (badania białek)
- immunomia (genetyka związana z systemem immunologicznym)
- telomery
- metabolomika (analiza wytwarzanych przez organizm metabolitów)
- mikrobiom (badanie środowiska mikrobów w organiźmie ludzkim)
- kognitywistyka (analiza działania zmysłów, mózgu i umysłu)
- epigenetyka (badania zmian ekspresji genów)
- integrative omics (gałąź nauki integrująca m.in. genomikę, epigenomikę, metabolomikę)
Wspólna praca zespołów trwała przez 2017 i 2018 rok. Teraz artykuł podsumowujący badania został opublikowany w Science. Jeszcze w tym roku i kolejnych poszczególne zespoły opublikują szczegółowe prace z zakresu, nad którym pracowali.
Biologiczne konsekwencje rocznego pobytu na orbicie
O biologicznych konsekwencjach pobytu na orbicie trochę już wiemy. Do przestrzeni kosmicznej wysłano do tej pory 559 ludzi. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej duża część badań skupiona jest na sprawdzaniu wpływu pobytu w kosmosie na organizm człowieka. Do najistotniejszych zmian wywoływanych przez długotrwałą obecność na orbicie należą: utrata masy kostnej, zmiany w środowisku mikrobiotycznym człowieka, zmiany w regulacji genów.
Do tej pory jednak nigdy nie przeprowadzono tak kompleksowego badania, które jednocześnie dotyczyłoby tak wielu układów narządowych i tak wielu mechanizmów funkcjonowania organizmu człowieka. Dodatkowo analizowano dane długotrwałej misji kosmicznej - do tej pory tylko 8 astronautów przebywało poza Ziemią dłużej niż 300 dni, a obiektem badań byli bracia bliźniacy, co umożliwiło dokładne porównanie wpływu czynników występujących w warunkach stresowych w reżimie lotu kosmicznego. Takie czynniki to: warunki mikrograwitacji, promieniowanie, hałas i długotrwała izolacja.
Twin Study w liczbach:
- 10 zespołów badawczych
- 340 dni w kosmosie
- 183 próbek krwi
- 285 próbek biologicznych
- 36 testów kognitywnych
- 84 naukowców
Łącznie w ramach badania pobrano 317 próbek od obu astronautów w postaci kału, moczu oraz krwi. Oprócz próbek z ciała, wykonywano także testy fizjologiczne i kognitywistyczne. To wszytko przeprowadzano zarówno przed roczną misją, w jej trakcie oraz po.
Scott Kelly wykonujący test możliwości kognitywnych podczas pobytu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Źródło: NASA.
Telomery i ekspresja genów
Jak podkreślają naukowcy najbardziej zaskakującym wynikiem całego eksperymentu była obserwacja zmian długości telomerów w trakcie pobytu na ISS. Końce każdego z chromosomów (struktur znajdujących się w komórce, zawierających materiał DNA) mają telomery, które zabezpieczają je podczas procesu kopiowania. Są to swoiste liczniki kopiowań - za każdym razem przy podziale komórki kurczą się bowiem przez co wpływają na proces starzenia i powodują, że każde kolejne kopiowanie ma większe ryzyko powstawania nowotworów. Na tempo kurczenia telomerów mają też jednak wpływ zewnętrzne czynniki środowiskowe (jak np. zanieczyszczenie powietrza i promieniowanie), stres, prowadzenie życia.
Telomery Scotta Kelly'ego w niektórych badanych typach komórek wydłużyły się o aż 14,5% w porównaniu do wartości przed i po locie. Telomery w chromosomach Marka Kellyego pozostawały bez zmian podczas trwania całego badania. Co ciekawe w ciągu zaledwie 48 h od powrotu długość telomerów znacząco się zmniejszyła i w ciągu miesiąca wróciła do średnich wartości sprzed lotu.
Badania DNA wykazały też zmiany w ekspresji genów, czyli sposobie w jaki odczytana jest informacja w genach i przepisana na produkty w postaci białek. Zarówno Mark jak i Scott wykazali takie zmiany, jednak u Scotta były one najprawdopodobniej związane z pobytem na orbicie. 91,3 % zmian powróciło do punktu sprzed lotu, ale niewielka ich część pozostała w organizmie Scotta po 6 miesiącach od powrotu. Spekuluje się, że niektóre ze zniszczeń w DNA były spowodowane promieniowaniem występującym na stacji. Obserwacja zmian w ekspresji genów pomogła potwierdzić inne rezultaty badania, takie jak odpowiedź organizmu na uszkodzenia DNA, regulacje telomerów, odbudowa masy kostnej czy odpowiedzi układu odpornościowego.
Inne wyniki
Okazuje się, że pobyt na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej dobrze wpływa na odżywianie, a przynajmniej tak było w przypadku Scotta. Waga Scotta zmniejszyła się o 7% podczas pobytu na stacji. Przed lotem zawartość kwasu foliowego (witaminy B9) pozostawała na niskim poziomie, jednak wzrosła w trakcie misji kosmicznej.
Zróżnicowana flora bakteryjna w układzie pokarmowym jest powiązana z dobrym zdrowiem. U Scotta to zróżnicowanie pogorszyło się znacząco po locie na orbitę. Było to być może spowodowane jedzeniem na stacji - w większości przypadków pakowanym, mrożonym i suchym. Szczęśliwie flora jelitowa odbudowała się niedługo po powrocie.
Badanie nie wykazało znaczących wyróżniających się zmian w procesie metylacji DNA, który ma bardzo duży wpływ na procesy biochemiczne zachodzące w organizmie. Metylacja była zmodyfikowana w drugim półroczu misji, ale wróciła do prawidłowych wartości po powrocie. Badacze mogli zidentyfikować dzięki temu badaniu te geny, który są bardziej podatne w środowisku kosmicznym. W przyszłych misjach możliwe będzie zbadanie czy wykryte zmiany mają charakter przejściowy czy trwały.
Okazało się też, że po misji kosmicznej ściany tętnicy szyjnej uległy pogrubieniu u Scotta.To czy ta zmiana będzie się utrzymywać, okaże się w przyszłości. Badania proteomiczne miały na celu sprawdzenie zmian w przepływie płynu w organizmie i ich wpływu na wzrok. Udało się wykryć wzrost w liczbie białek AQP2, które regulują ponowną absorbcję wody przez komórki.
Podsumowanie
Twins Study pokazało jak ludzki organizm jest w stanie zaadaptować się do środowiska lotu kosmicznego. Pojedyncze badanie nie może wyrokować na temat przyczynowości wykrytych zmian. Być może pewna część z nich wystąpiła w wyniku losowych czynników. Eksperyment wykazał jednak skuteczność strategii, która umożliwiła przeprowadzenie tak kompleksowych obserwacji całego ciała. Jest to świetny punkt odniesienia dla kolejnych podobnych badań.
Obserwacje z eksperymentu mogą wpłynąć także na życie na Ziemi. Być może pomogą one w rozwoju nowych terapii i sposobów przeciwdziałania niektórym zmianom wywoływanym także na naszej planecie przez różne czynniki środowiskowe. Na przykład obserwacje dynamicznych zmian w telomerach może pomóc w zmniejszaniu negatywnych efektów starzenia i chorób.
To badanie to kolejny krok w przygotowaniach do jeszcze bardziej ekstremalnych misji załogowych. Dalekie plany NASA to powrót na Księżyc, a później loty w kierunku Marsa. Agencja planuje też przeprowadzenie kolejnych rocznych misji. Naukowcy podkreślają, że wprowadzony model współpracy zespołów biomedycznych w opracowywaniu wyników badań zostanie wykorzystany w kolejnych tego typu projektach.
Więcej informacji:
- strona NASA poświęcona badaniu Twins Study
- praca naukowa The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight
- informacja prasowa NASA o ogłoszeniu wyników badań Twinst Study
Na podstawie: NASA/Science
Opracował: Rafał Grabiański
