С чего это началось? Историческое исследование близнецов
NASA исследовало идентичных астронавтов-близнецов Скотта и Марка Келли и предоставило новую информацию о влиянии пребывания в космосе на здоровье.
Колорадский Государственный Университет Профессор Сьюзан Бейли была одним из 80 ученых в 12 университетах, которые проводили исследования в рамках интересного эксперимента: Марк оставался на Земле, пока Скотт находился на орбите почти год. Исследование было скоординировано программой NASA по исследованию человека.
профессор Сьюзан Бейли и доктор Кьелл Линдгрен, астронавт НАСА, во время посещения лаборатории Бейли в 2016 году. Линдгрен выпускник университета штата Колорадо. Представлено: Фотография КСУ.
Бейли продолжила свое исследование в НАСА и теперь, наряду с более чем 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 по клеточной и молекулярной биологии в CSU, является первым автором двух исследований. В настоящее время он работает аналитиком данных в Министерстве сельского хозяйства США в Форт-Коллинзе.
Исследование, включающее исчерпывающий документ, описывающий то, что исследователи узнали о фундаментальных особенностях космических полетов, является крупнейшим набором данных по космической биологии и влиянию астронавтов на здоровье, когда-либо созданных.
"Теперь у нас есть фундамент, на котором мы можем строить — то, что мы знаем, что искать в будущих астронавтах, 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 в том, что большая группа астронавтов принимала участие в этих исследованиях".
Изучение хромосом заканчивается с точки зрения старения
Бейли — эксперт по теломерам и повреждению ДНК от радиации. Именно эти области вызвали большой интерес во всем мире, когда были опубликованы результаты двойного эксперимента. В этом исследовании она и её команда обнаружили, что теломеры Скотта в его лейкоцитах стали длиннее в космосе, а затем вернулись на почти нормальную длину после возвращения на Землю.
Теломеры — это защитные "колпачки" на концах хромосом, которые укорачиваются с возрастом. Значительное изменение длины теломер может означать, что человек подвержен риску ускоренного старения или возникновения с возрастом таких заболеваний, как сердечно-сосудистые и онкологические заболевания.
В недавнем исследовании, Бейли, Лакстон, старший научный сотрудник Линн Тейлор и команда исследовали группу из 10 астронавтов, не связанных между собой, в том числе выпускник CSU доктор Кьелл Линдгрен, сравнивая результаты с результатами близнецов Келли. Исследователи не имели доступа к образцам крови или другим образцам в полете для всех членов экипажа, но Бейли сказал, что у них были образцы крови до и после космического полета для всех.
Космонавты участвовали в исследовании и провели около шести месяцев на Международной космической станции на низкой околоземной орбите, защищенной от некоторого космического излучения. Несмотря на защиту, ученые нашли доказательства повреждения ДНК, которые могут указывать на возможные последствия для здоровья.
Новое открытие окислительного стресса
Среди новых открытий группа исследователей 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 заметила индивидуальные различия в отчетах.
Чтобы получить больше информации об этих открытиях, команда Бейли также изучала альпинистов-близнецов, которые поднялись на гору. Эверест, экстремальная среда на Земле. Близнецы, которые не поднялись на горы остались на более низкой высоте, в том числе в Боулдере, штат Колорадо. Примечательно, что команда обнаружила аналогичные свидетельства окислительного стресса и изменения длины теломер у альпинистов.
Кристофер Мейсон, доцент Weill Cornell медицины и соавтор Bailey, проанализировал экспрессию генов альпинистов на Эвересте. Он нашел доказательства, не зависящие от теломеразы, основанные на рекомбинации способа поддержания длины теломер, который, как известно, приводит к более длинным теломерам.
"Нормальные клетки крови умирают и пытаются выжить", объясняет Бейли. — Они приспосабливаются к новой среде. Некоторые клетки активируют альтернативный путь, чтобы поддерживать свои теломеры в рабочем состоянии. Это похоже на то, что происходит с некоторыми опухолями. Некоторые клетки появляются в результате этого процесса.
Как и результаты 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 сказала, что подозревает несколько иной конец истории.
"Увеличение продолжительности жизни или бессмертия клеток, которые пострадали от повреждений ДНК, вызванных космическим излучением, таких как инверсии хромосом, является рецептом для увеличения риска рака", заключает она.
Митохондриальный дефицит объясняет проблемы во время космических путешествий
Для успешного освоения космоса жизненно важно понять и найти пути устранения основных причин проблем со здоровьем, которые наблюдаются у астронавтов, проводящих длительные периоды времени за пределами земного шара. Эти проблемы включают в себя потерю костной и мышечной массы, дисфункцию иммунитета, а также проблемы с сердцем и печенью. Используя данные, собранные из различных источников, многопрофильная команда сообщает об обнаружении общей нити, которая приводит к этому повреждению: дисфункции митохондрий. Исследователи использовали систематический подход к изучению широко распространенных изменений, влияющих на биологические функции. Результаты также представлены в журнале Cell.
Исследователи проанализировали данные, полученные на платформе GeneLab НАСА — обширной базе данных, включающей данные исследований на животных, Twin Study НАСА и образцы, собранные у 59 астронавтов за десятилетия космических путешествий. Многие ученые, участвующие в этом исследовании, являются членами аналитических рабочих групп GeneLab, в состав которых входят представители организаций со всего мира. Платформа содержит ряд "омических" данных, связанных с изменениями в тканях и клетках, вызванными комбинированным воздействием космической радиации и микрогравитации, включая протеомные, метаболические, транскриптомные и эпигеномные данные.
Исследователи использовали беспристрастный подход для поиска корреляций, объясняющих широко распространенные изменения. "Мы сравнили все эти различные ткани мышей, которые летали в космос в двух разных миссиях и увидели обнаружение митохондриальной дисфункции", — говорит Бехешти. — Мы изучили проблемы с печенью и увидели, что они вызваны митохондриальной дисфункцией. Мы обнаружили аналогичные проблемы в глазах". Именно тогда мы заинтересовались более глубоким изучением проблемы".
Он объясняет, что подавление митохондрий, а также чрезмерная компенсация, которая иногда происходит за счет этого подавления, могут привести к множеству системных реакций органов. Они также объясняют общие изменения, наблюдаемые в иммунной системе.
Используя свои открытия на мышах в качестве отправной точки, исследователи затем увидели, можно ли использовать те же механизмы у людей в космосе. Изучая данные исследования близнецов НАСА, в котором идентичные близнецы Скотт и Марк Келли наблюдались с течением времени, первый — на Международной космической станции, второй — на Земле, они увидели много изменений в митохондриальной активности. Некоторые из этих изменений могут объяснить изменения в распределении иммунных клеток, которые Скотт испытал в течение года в космосе. Они также использовали физиологические данные и образцы крови и мочи, которые были собраны у десятков других астронавтов, чтобы подтвердить, что митохондриальная активность в различных типах клеток была изменена.
Можно надеяться, что теперь, когда проблемы митохондрий были определены в качестве причины столь многих рисков для здоровья, связанных с космическими путешествиями, для их решения могут быть разработаны контрмеры. "Уже существует множество одобренных препаратов для различных митохондриальных нарушений, которые будут способствовать их прогрессу в этом применении", — отмечает Бехешти. — Мы готовимся протестировать некоторые из этих препаратов на животных и клеточных моделях в космосе.
Фруктовые мухи помогли раскрыть влияние космических путешествий на сердце
Ученые из Сэнфорда БернхэмФрута мухи, которые провели несколько недель на Международной космической станции (МКС) — около половины своей жизни — испытали глубокие структурные и биохимические изменения в своем сердце. Исследование, также опубликованное в Cell Reports, предполагает, что астронавты, проводящие длительные периоды времени в космосе для формирования лунной колонии или путешествия на далекий Марс, могут испытывать аналогичные последствия и могут воспользоваться защитными мерами для поддержания здоровья своих сердец. Исследование также выявило новые идеи, которые в один прекрасный день могут помочь людям на Земле, которыев длительном постельном режиме или при сердечных заболеваниях.
Ученый держит бутылку фруктовой мухи рядом с ящиком, отправленным на МКС. Отправленная: Институт медицинских открытий Сэнфорда Бернхэма Прэбиса.
Предыдущие исследования показали, что в условиях микрогравитации человеческое сердце движется от овала к более сферической форме. Космический полет также вызывает ослабление (атрофию) сердечной мышцы, что снижает ее способность перекачивать кровь по всему телу. Однако до сих пор исследования человеческого сердца с помощью ультразвука на МКС ограничивались относительно небольшим количеством астронавтов. Хотя эти исследования важны, они не выявили клеточных и молекулярных изменений, вызывающих эти трансформации, — информации, необходимой для разработки контрмер, которые обеспечат безопасность астронавтов во время длительных полетов.
"Поскольку мы продолжаем нашу работу по строительству колонии на Луне и отправляем первых астронавтов на Марс, понимание влияния длительной микрогравитации на человеческое тело является обязательным", — говорит Шармила Бхаттачария, доктор философии, старший научный сотрудник НАСА и автор исследования. — Сегодняшние результаты показывают, что микрогравитация может оказывать драматическое воздействие на сердце, предполагая, что для дальних космических путешествий может потребоваться медицинское вмешательство, и указывают на несколько областей терапевтического развития.
Фруктовые мухи удивительно хорошие модели для изучения человеческого сердца. Насекомые имеют почти 75% общих генов, вызывающих заболевания у человека, а их трубчатые сердца похожи на сердце зародыша в утробе матери.
Эта работа показала, что у космических мух уменьшилось сердце. Это уменьшило их способность прокачивать кровь и симптомы мух были подобны наблюдаемым в астронавтах. Ткань сердца также претерпела обширную перестройку. Например, обычно параллельные мышечные волокна смещались и теряли контакт с окружающими волокнистыми структурами. Это приводит к нарушению кровообращения.
Ученые все еще заняты анализом генетических и молекулярных данных этого исследования и считают, что эти открытия являются "вершиной айсберга" для такого рода исследований. У космонавтов часто бывают проблемы со зрением, поэтому ученые также анализируют ткани глаз космических мух. Другая область интереса связана с детенышами мухами, родившимися в космосе, что поможет выявить любые унаследованные эффекты космического полета. Хотя здоровье астронавтов является главной целью, люди на Земле в конечном итоге могут извлечь наибольшую пользу из этой новаторской работы.
Читайте также
Найдено предполагаемое царство исчезнувших хеттов. Что нашли археологи?
Добровольная смерть. Мы расскажем вам, как работает процедура эвтаназии по всему миру
Новый сенсор определяет диапазон слюны при чихании
