Чем ближе возвращение на Луну и колонизация Марса, тем больше исследований проводят ученые на тему «что будет с телом человека в космосе». Все-таки это не самое дружелюбное место: радиация, отсутствие кислорода и гравитации — лишь верхушка айсберга. Рассказываем о последних четырех исследованиях, результаты которых имеют значение для всех будущих космических путешественников, которые создадут базу на Луне или отправятся на Марс. А может, станут космическими туристами.
С чего все началось?
Историческое исследование NASA Twins Study изучало идентичных близнецов-астронавтов Скотта и Марка Келли и предоставило новую информацию о влиянии на здоровье пребывания в космосе.
Профессор Университета штата Колорадо Сьюзан Бейли была одной из 80 ученых в 12 университетах, проводивших исследования в рамках эксперимента интересного эксперимента: Марк оставался на Земле, в то время как Скотт почти год находился на орбите. Исследование координировались программой исследований человека НАСА.
Бейли продолжила свои исследования НАСА и теперь вместе с 200 исследователями из десятков академических, правительственных, аэрокосмических и промышленных групп опубликовала пакет из 30 научных статей в пяти журналах Cell Press. Джаред Лакстон, недавно получивший докторскую степень в области клеточной и молекулярной биологии в CSU, является первым автором двух исследований. Сейчас он работает специалистом по анализу данных Министерства сельского хозяйства США в Форт-Коллинзе.
Исследование — включая всеобъемлющий документ, в котором рассказывается о том, что исследователи узнали о фундаментальных особенностях космического полета, — представляет собой самый большой набор данных по космической биологии и влиянию на здоровье космонавтов, когда-либо созданных.
«Теперь у нас есть фундамент, на который мы можем опираться — то, что мы знаем, что нужно искать в будущих космонавтах, включая изменения длины теломер и реакции на повреждение ДНК, — сказал Бейли. — В дальнейшем наша цель — получить лучшее представление о том, что происходит во время длительного космического полета в человеческом теле у разных людей. Не все реагируют одинаково. Это было одним из положительных моментов о том, чтобы в этих исследованиях участвовала большая группа астронавтов».
Изучение концов хромосом с точки зрения старения
Бейли — эксперт по теломерам и радиационным повреждениям ДНК. Именно эти области вызывали большой интерес во всем мире, когда было опубликованы результаты эксперимента с близнецами. В этом исследовании она и ее команда обнаружили, что теломеры Скотта в его лейкоцитах стали длиннее в космосе, а затем вернулись к почти нормальной длине после того, как он вернулся на Землю.
Теломеры — это защитные «колпачки» на концах хромосом, которые с возрастом укорачиваются. Значительные изменения длины теломер могут означать, что человек подвержен риску ускоренного старения или заболеваний, которые возникают вместе с возрастом, например, сердечно-сосудистых заболеваний и рака.
В последнем исследовании Бейли, Лакстон, старший научный сотрудник Линн Тейлор и команда исследовали группу из 10 не связанных между собой астронавтов, в том числе выпускника CSU доктора Кьелла Линдгрена, сравнивая результаты с данными близнецов Келли. У исследователей не было доступа к образцам крови и другим образцам в полете для всех членов экипажа, но Бейли сказал, что у них были образцы крови до и после космического полета для всех.
В исследованиях участвовали астронавты, которые провели около шести месяцев на Международной космической станции на низкой околоземной орбите, защищенной от некоторого космического излучения. Несмотря на защиту, ученые обнаружили доказательства повреждения ДНК, которые могут указывать на потенциальные последствия для здоровья.
Новое открытие окислительного стресса
Среди новых открытий исследовательская группа обнаружила, что хронический окислительный стресс во время космического полета повреждает теломеры. Они также обнаружили, что у астронавтов в целом после космического полета теломеры короче, чем раньше. Команда также наблюдала индивидуальные различия в отчетах.
Чтобы получить больше информации об этих открытиях, команда Бейли также изучила альпинистов-близнецов, которые поднялись на гору Эверест, экстремальную среду на Земле. Близнецы, не лазавшие по горам, остались на более низкой высоте, в том числе в Боулдере, штат Колорадо. Примечательно, что команда обнаружила аналогичные доказательства окислительного стресса и изменений длины теломер у альпинистов.
Кристофер Мейсон, доцент Weill Cornell Medicine и соавтор Бейли, провел анализ экспрессии генов альпинистов на Эверест. Он обнаружил доказательства независимого от теломеразы, основанного на рекомбинации пути поддержания длины теломер, который, как известно, приводит к более длинным теломерам.
«Нормальные клетки крови умирают и пытаются выжить, — объясняет Бейли. — Они приспосабливаются к своей новой среде. Некоторые клетки активируют альтернативный путь, чтобы поддерживать работу своих теломер. Это похоже на то, что происходит с некоторыми опухолями. Некоторые клетки возникают в результате этого процесса».
Подобно выводам исследования близнецов Бейли сказал, что новые результаты будут иметь значение для будущих космических путешественников, которые создадут базу на Луне или отправятся на Марс, или даже в качестве космического туриста. Долгосрочные исследовательские миссии потребуют увеличения времени и расстояния за пределами защиты Земли.
Хотя более длинные теломеры в космосе могут показаться хорошей вещью, возможно, даже «фонтаном молодости», автор исследования заявила, что подозревает несколько иной конец истории.
«Увеличенная продолжительность жизни или бессмертие клеток, которые пострадали от повреждений ДНК, вызванных космическим излучением, таких как хромосомные инверсии, — это рецепт повышенного риска рака», — заключает она.
Дефекты митохондрий объясняют проблемы во время космических путешествий
Для успешного освоения космоса жизненно важно понять и найти способы устранения основных причин проблем со здоровьем, которые наблюдались у астронавтов, проводивших длительные периоды времени вне мира. Эти проблемы включают потерю костной и мышечной массы, иммунную дисфункцию, а также проблемы с сердцем и печенью. Используя данные, собранные из различных источников, мультидисциплинарная команда сообщает об обнаружении общей нити, которая приводит к этому повреждению: митохондриальной дисфункции. Исследователи использовали системный подход для изучения широко распространенных изменений, влияющих на биологическую функцию. О результатах также сообщается в журнале Cell.
Исследователи проанализировали данные, полученные с платформы NASA GeneLab, обширной базы данных, которая включает данные исследований на животных, исследования NASA Twin Study и образцы, собранные у 59 астронавтов за десятилетия космических путешествий. Многие из ученых, участвовавших в этом исследовании, входят в состав аналитических рабочих групп GeneLab, в которые входят представители организаций со всего мира. Платформа содержит ряд «омических» данных, связанных с изменениями в тканях и клетках, которые происходят из-за комбинированного воздействия космического излучения и микрогравитации, включая протеомные, метаболомные, транскриптомные и эпигеномные данные.
Исследователи использовали беспристрастный подход для поиска корреляций, которые объясняют широко распространенные изменения. «Мы сравнили все эти разные ткани мышей, которые летали в космос в двух разных миссиях, и увидели выявление митохондриальная дисфункции — говорит Бехешти. — Мы изучили проблемы в печени и увидели, что они вызваны проблемами с митохондриями. Схожие проблемы обнаружились и в глазах. Именно тогда мы заинтересовались более глубоким изучением проблемы».
Он объясняет, что подавление митохондрий, а также чрезмерная компенсация, которая иногда происходит из-за этого подавления, могут приводить ко многим системным реакциям органов. Они также объясняют общие изменения, наблюдаемые в иммунной системе.
Используя свои открытия на мышах в качестве отправной точки, исследователи затем посмотрели, могут ли те же механизмы быть задействованы с людьми в космосе. Изучая данные исследования близнецов НАСА, в котором однояйцевые близнецы Скотт и Марк Келли наблюдались с течением времени, первый на Международной космической станции, а второй на Земле, они увидели множество изменений в митохондриальной активности. Некоторые из этих изменений могут объяснить изменения в распределении иммунных клеток, которые произошли у Скотта за год его пребывания в космосе. Они также использовали физиологические данные и образцы крови и мочи, которые были собраны у десятков других астронавтов, чтобы подтвердить, что активность митохондрий в разных типах клеток была изменена.
Есть надежда, что теперь, когда проблемы митохондрий были идентифицированы как причина стольких рисков для здоровья, связанных с космическими путешествиями, можно будет разработать контрмеры для их решения. «Уже существует множество одобренных лекарств от различных митохондриальных нарушений, которые упростят их продвижение к этому применению — отмечает Бехешти. — Мы готовимся к испытаниям некоторых из этих препаратов на животных и клеточных моделях в космосе».
Плодовые мушки помогли раскрыть влияние космических путешествий на сердце
Ученые из Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute показали, что плодовые мухи, проведшие несколько недель на Международной космической станции (МКС) — примерно половину своей жизни — испытали глубокие структурные и биохимические изменения в своем сердце. Исследование, также опубликованное в Cell Reports, предполагает, что астронавты, проводящие длительное время в космосе, которое потребуется для формирования лунной колонии или путешествия на далекий Марс, могут пострадать от аналогичных последствий и могут получить пользу от защитных мер для сохранения их здоровья их сердец.. Исследование также выявило новые идеи, которые однажды могут помочь людям на Земле, которые находятся на длительном постельном режиме или страдают сердечными заболеваниями.
Предыдущие исследования показали, что в условиях микрогравитации человеческое сердце переходит от овальной формы к более сферической. Космический полет также вызывает ослабление (атрофию) сердечной мышцы, что снижает ее способность перекачивать кровь по всему телу. Однако до сих пор исследования сердца человека, выполненные с использованием ультразвука на МКС, были ограничены относительно небольшим числом астронавтов. Хотя эти исследования важны, они не выявили клеточных и молекулярных изменений, вызывающих эти преобразования — информации, необходимой для разработки контрмер, которые обеспечат безопасность астронавтов во время длительных полетов.
«Поскольку мы продолжаем нашу работу по созданию колонии на Луне и отправке первых астронавтов на Марс, понимание воздействия продолжительного времени в условиях микрогравитации на человеческое тело является обязательным, — говорит Шармила Бхаттачарья, доктор философии, старшая научная сотрудница НАСА и автор исследования. — Сегодняшние результаты показывают, что микрогравитация может оказывать драматическое воздействие на сердце, предполагая, что медицинское вмешательство может потребоваться для длительных космических путешествий, и указывают на несколько направлений терапевтического развития».
Плодовые мушки — удивительно хорошие модели для изучения человеческого сердца. Насекомые имеют почти 75% общих генов, вызывающих болезни у людей, а их трубчатые сердца похожи на сердце эмбриона в утробе матери.
Эта работа показала, что у космических мух уменьшилось сердце. Это уменьшило их способность перекачивать кровь и симптомы у мушек были похожи на наблюдаемые у астронавтов. Ткань сердца также претерпела обширное ремоделирование. Например, обычно параллельные мышечные волокна оказались смещены и потеряли контакт с окружающими фиброзными структурами. Это приводит к нарушению перекачки крови.
Ученые все еще заняты анализом генетических и молекулярных данных из этого исследования и считают, что эти открытия являются «вершиной айсберга» для этого типа исследований. Проблемы со зрением часто встречаются у космонавтов, поэтому ученые также анализируют ткани глаза космических мух. Другая область интереса связана с детенышами мух, которые родились в космосе, что поможет выявить любые унаследованные эффекты космического полета. Хотя здоровье космонавтов является основной целью, люди на Земле могут в конечном итоге получить наибольшую пользу от этой новаторской работы.
