Astronauci częściej chorują w kosmosie. Oto dlaczego

Zmiany te są nie tylko dezorientujące psychicznie – podróże kosmiczne powodują również ogromne zmiany fizjologiczne. Główną z nich jest przesunięcie płynów z dolnej części ciała do tułowia i głowy, podczas gdy astronauci unoszą się w mikrograwitacji. Może to prowadzić do anemii, problemów z oczami, zmian ciśnienia krwi i zaburzeń odporności. Szczegółowe pomiary astronautów podczas treningu i misji kosmicznych pokazują, że ma to wpływ na każdy układ narządów.

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Frontiers in Immunology Odette Laneuville, biolog molekularny z Uniwersytetu w Ottawie, wraz ze swoim zespołem prześledzić, w jaki sposób zmiany te wpłynęły na układ odpornościowy 14 astronautów podczas ich pobytu na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Badanie wykazało zmiany genetyczne wskazują na spadek funkcji odpornościowych w ciągu kilku dni od przybycia na ISS, a następnie powrót do stanu wyjściowego kilka miesięcy po powrocie na Ziemię.

Wyniki pokazują, jak układ odpornościowy szybko dostosowuje się do mikrograwitacji i stopniowo wraca do normy. Naukowcy mogą wykorzystać tego rodzaju informacje, aby lepiej zrozumieć wszystko, od zagrożeń chorobami zakaźnymi podczas podróży kosmicznych po sposób gojenia się urazów w stanie nieważkości.

„W ciągu kilku minut przebywania w kosmosie twoje ciało się zmienia” – mówi Jamie Foster, astrobiolog z University of Florida, który nie brał udziału w badaniu. „Ale nie sądzę, byśmy mieli jeszcze dobre pojęcie o długoterminowych zmianach”.

Dekondycjonowanie ciała

Laneuville nie rozpoczęła swojej kariery od zainteresowania eksploracją kosmosu. Zamiast tego zaciekawił ją problem zdrowotny znany jako dekondycjonowanie, czyli utrata siły mięśni, gęstości kości i sprawności fizycznej, która występuje podczas długotrwałych okresów bezczynności i leżenia w łóżku.

Kiedy się rozwinie, dekondycjonowanie może wymagać miesięcy intensywnej rehabilitacji i fizykoterapii, aby odzyskać zdolność do wykonywania normalnych czynności, takich jak chodzenie, kąpiel i ubieranie się. Laneuville chciał dowiedzieć się więcej o biologicznych podstawach tej dolegliwości, co mogłoby dać naukowcom wskazówki, jak wykorzystać skuteczne środki zapobiegawcze lub terapie.

W przeszłości naukowcy symulowali skutki długotrwałej mikrograwitacji, prosząc ludzi o pozostanie w łóżku z lekko uniesionymi stopami przez wiele miesięcy. Oznaczało to, że nie trzeba było wstawać, by skorzystać z toalety, rozprostować nogi czy zajrzeć do lodówki. Eksperymenty te, z których niektóre miały swoje początki w powijakach amerykańskich i radzieckich programów kosmicznych, ujawniły gwałtowny spadek zarówno gęstości kości, jak i siły mięśni, podobny do tego, co później zgłaszali astronauci.

Dla naukowców takich jak Laneuville badania te były niepokojące. Szkolenie astronautów w kosmosie było w porządku, ale co stanie się z ludźmi po powrocie na ziemię? Alarmy odbiły się echem w jej mózgu, gdy zobaczyła klipy wideo słynnego kanadyjskiego astronauty Chrisa Hadfielda po jego powrocie z sześciomiesięcznego pobytu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

„Widać, jak opada mu ręka. Wygląda na słabego. Wyglądało to więc jak pacjenci z ciężką dekondycją” – mówi Laneuville.

Infekcje na pokładzie

Mięśnie i kości nie są jedynymi częściami ciała, które cierpią w warunkach mikrograwitacji. Podczas misji Apollo 7 trzech astronautów przeziębiło się. Wiele osób przebywających na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zgłasza wysypki skórne i łagodne infekcje dróg oddechowych, a naukowcy odkryli, że podróże kosmiczne mogą reaktywować uśpione wirusy, takie jak herpes simplex, varicella i cytomegalowirus.

Na Ziemi opryszczka lub półpasiec są bolesne, ale rzadko zagrażają życiu. Jednak radzenie sobie z takim problemem w kosmosie może być zupełnie inną historią. Ponieważ dobrze funkcjonujący układ odpornościowy jest tak integralną częścią ludzkiego zdrowia, naukowcy zaczęli się zastanawiać, co oznaczałoby to dla długoterminowego zdrowia badaczy kosmosu.

Dla Laneuville'a badanie astronautów stanowiło okazję do zrozumienia, w jaki sposób ludzkie ciało dostosowuje się do rygorów lotu kosmicznego i jak zmiany immunologiczne odgrywają rolę w dekondycji. Chociaż naukowcy badali funkcje odpornościowe astronautów w pojedynczych punktach czasowych, Laneuville chciał zobaczyć, jak układ odpornościowy dostosował się – lub nie – przez dłuższy czas. Dzięki grantowi z Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej narodził się projekt MARROW (Marrow Adipose Reaction: Red Or White).

Wskazówki genetyczne

Zespół z Ottawy zrekrutował 14 astronautów, którzy spędzili co najmniej sześć miesięcy na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pobierając 10 próbek krwi od każdej osoby, począwszy od 90 dni przed odlotem i kontynuując przez cały rok po powrocie na Ziemię, ponieważ wpływ podróży kosmicznych może utrzymywać się długo po zakończeniu misji.

Laneuville wykorzystał te próbki do śledzenia, w jaki sposób białe krwinki włączały i wyłączały geny podczas podróży kosmicznych. Te zmiany genów pomagają kontrolować, jak dobrze białe krwinki mogą zwalczać patogeny. Ten rodzaj analizy, znany jako transkryptomika, może dostarczyć informacji na temat genów wykorzystywanych przez białe krwinki do reagowania na mikrograwitację, co może dostarczyć wskazówek na temat ogólnej funkcji odpornościowej.

W ciągu kilku dni od przybycia na ISS, wszyscy uczestnicy badania wykazali gwałtowny spadek aktywności wielu genów związanych z odpornością. W drugim i czwartym miesiącu pobytu na ISS niektóre z tych zmian zaczęły się normalizować. Nie powróciły one jednak do poziomu wyjściowego aż do kilku miesięcy po powrocie astronautów do domu. To bardzo wyraźny i unikalny wzór, mówi Laneuville.

„Nie spodziewałem się tak dużej zmiany w ekspresji genów. Dlaczego układ odpornościowy miałby słabnąć w warunkach mikrograwitacji?” – zastanawia się. „Wygląda na to, że w kosmosie jest coś wyjątkowego”.

Dla Evagelii Laiakis, biologa zajmującego się promieniowaniem na Uniwersytecie Georgetown, długa obserwacja była niezwykle ważna.

W swojej pracy Laiakis naraża myszy na promieniowanie analogiczne do promieni kosmicznych, które astronauci mogą napotkać, gdy opuszczają ochronne pole magnetyczne Ziemi. Badania wykazały, że promieniowanie spowodowało zmiany w zdolności myszy do naprawy DNA i efektywnego wykorzystania energii. Co bardziej niepokojące, zmiany te utrzymywały się przez cztery miesiące, co odpowiada 10-20 latom u ludzi.

„To było bardzo zaskakujące” - mówi Laiakis. „Wystąpiły pewne trwałe zmiany, a myszy nigdy tak naprawdę nie wróciły do normy po niskiej dawce promieniowania związanego z kosmosem”. W miarę jak ludzie wyruszają w kosmos, ekspozycja na promieniowanie może potęgować zmiany genetyczne spowodowane mikrograwitacją.

Laneuville bada obecnie, czy osoby biorące udział w badaniach nad odpoczynkiem w łóżku wykazują podobne zmiany w ekspresji genów. Jeśli uda jej się zidentyfikować osoby o wysokim ryzyku utraty kondycji, czy to w salach szpitalnych, czy podczas przyszłych lotów na Marsa, Laneuville ma nadzieję powstrzymać skutki, zanim się zaczną.