Die Raumfahrt macht einige seltsame Dinge mit den Körpern von Astronauten

Astronaut Karen Nyburg verwendet ein Fundoskop für eine Augenuntersuchung an Bord der Internationalen Raumstation. NASA

Astronaut Scott Kelly lebte und arbeitete berühmterweise 340 Tage lang auf der Internationalen Raumstation – die längste Zeit, die ein Amerikaner im All verbracht hat. Seine Mission verschaffte den Wissenschaftlern wichtige Einblicke in das, was mit dem menschlichen Körper während langer Aufenthalte im Orbit passiert. Das liegt daran, dass Kelly einen eineiigen Zwilling hat, Mark (ebenfalls Astronaut und jetzt bald US-Senator). Die Kelly-Zwillinge boten Wissenschaftlern eine seltene Gelegenheit: Als sie untersuchten, was mit Scotts Körper während seines Jahres im Weltraum geschah, hatten sie den Vorteil eines Kontrollsubjekts, Mark, der auf der Erde blieb.

Der NASA-Zwillingsstudie lieferte weitere Beweise für das, was wir bereits vermutet hatten. In einer geschlossenen Kapsel unter Mikrogravitation und längerer Strahlenbelastung wird das Immunsystem angegriffen, die Form des Auges verschlechtert sich und es kommt zu einem erheblichen Verlust an Muskel- und Knochenmasse.

Aber wir haben auch einige überraschende Effekte kennengelernt. Kelly erlebte Veränderungen in seinem Darmmikrobiom, seine kognitiven Fähigkeiten verlangsamten sich, bestimmte Gene schalteten sich ein und aus und seine Chromosomen erfuhren strukturelle Veränderungen.

Die Zwillingsstudie gab uns eine erste Skizze der molekularen Reaktionen des menschlichen Körpers auf den Weltraumflug, aber diese Umrisse mussten vervollständigt werden, sagt Christopher Mason, außerordentlicher Professor für Physiologie und Biophysik an der Weill Cornell Medicine. Die Änderungen, die wir sahen, erforderten mehr Kontext und Replikation. Wir brauchten zusätzliche Studien, um die Häufigkeit der Veränderungen aufzuzeichnen, die wir bei anderen Astronauten und anderen Organismen beobachteten, die in den Weltraum fliegen, und auch um zu sehen, ob der Grad der Veränderung bei kürzeren Missionen ähnlich war.

Das bringt uns zu einem neuen Forschungspaket, das auf der Zwillingsstudie aufbaut, einige der ursprünglichen Daten mit neuen Techniken neu analysiert und Vergleiche mit anderen Astronauten liefert. In einer Reihe von 19 Studien, die heute in einer Reihe verschiedener Zeitschriften veröffentlicht wurden (zusammen mit 10 Vorabdrucken, die noch von Experten begutachtet werden), untersuchten Forscher wie Mason (ein leitender Autor von 14 der Veröffentlichungen) die physiologischen, biochemischen und genetischen Veränderungen, die in auftraten 56 Astronauten (einschließlich Kelly), die Zeit im Weltraum verbracht haben – die größte Studie dieser Art, die jemals durchgeführt wurde.

Die neuen Arbeiten, die Ergebnisse von Zellprofilierungs- und Gensequenzierungstechniken enthalten, die erst seit Kurzem einfacher zu handhaben sind, zeigen, dass es einige Merkmale der Raumfahrt gibt, die bei Menschen, Mäusen und anderen Tieren immer wieder auftreten, wenn sie ins All fliegen. sagt Maurer. Es scheint eine Reihe von Anpassungen und Reaktionen von Säugetieren auf die Unbilden der Raumfahrt zu geben.

Das Gute, das Schlechte und das Unerklärliche

Die Forscher heben hervor sechs biologische Veränderungen die bei allen Astronauten während eines Raumflugs auftreten: oxidativer Stress (eine übermäßige Ansammlung von freien Radikalen in den Körperzellen), DNA-Schäden, Funktionsstörungen der Mitochondrien, Veränderungen in der Genregulation, Veränderungen in der Länge der Telomere (die Enden der Chromosomen, die sich verkürzen mit zunehmendem Alter) und Veränderungen im Darmmikrobiom.

Von diesen sechs Änderungen war die größte und überraschendste für Wissenschaftler mitochondriale Dysfunktion . Mitochondrien spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung der chemischen Energie, die notwendig ist, um Zellen – und damit auch Gewebe und Organe – funktionsfähig zu halten. Die Forscher fanden bei Dutzenden von Astronauten eine unregelmäßige Mitochondrienleistung und konnten diese Veränderungen dank neuer Genomik- und Proteomiktechniken umfassend charakterisieren. Afshin Beheshti, Bioinformatiker bei der NASA und leitender Autor von eine Studie , sagt, dass die mitochondriale Unterdrückung erklärt, wie viele der Probleme, die Astronauten erlebten (wie Immunsystemschwächen, gestörter zirkadianer Rhythmus und Organkomplikationen) tatsächlich ganzheitlich miteinander zusammenhängen, da sie alle auf denselben Stoffwechselwegen beruhen.

Wenn Sie sich im Weltraum befinden, ist nicht nur ein Areal oder Organ betroffen, sondern der ganze Körper, sagt Beheshti. 'Wir haben angefangen, die Punkte zu verbinden.'

Andere Forschung konzentrierte sich auf Probleme, die auf genetischer Ebene beobachtet wurden. Die Zwillingsstudie zeigte, dass Kellys Telomere im Weltraum länger wurden, bevor sie kurz nach seiner Rückkehr auf die Erde wieder auf normale oder sogar kürzere Längen schrumpften. Telomere sollen sich mit dem Alter verkürzen, daher macht eine Verlängerung wenig Sinn, und die Zwillingsstudie lieferte nicht genügend Daten, um echte Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, warum es passiert ist und welche Auswirkungen es hatte.

Susan Bailey, eine Expertin für Telomerforschung an der Colorado State University und leitende Autorin für mehrere der Artikel, sagt, die neue Studie habe herausgefunden, dass 10 andere Astronauten erfuhr die gleiche Telomerverlängerung Kelly tat dies unabhängig von der Missionsdauer – ebenso schrumpften die Telomere, sobald sie zur Erde zurückkehrten.

Bemerkenswerterweise fand einer der Artikel in dem neuen Paket heraus, dass längere Telomere auch mit Bergsteigern des Mount Everest in Verbindung gebracht wurden. Für Bailey und ihre Kollegen deutet dies auf eine Verlängerung der Telomere hin von oxidativem Stress betroffen – etwas, das sowohl Bergsteiger als auch Astronauten erleben und das die ordnungsgemäße Erhaltung der Telomere stört.

Astronaut Akihiko Hoshide entnimmt auf der ISS Blut aus seiner Vene.

NASA

Sie versuchen immer noch herauszufinden, wie diese Wege funktionieren und was genau die Folgen sein könnten ( Es ist wahrscheinlich kein Geheimnis für Langlebigkeit ), aber wir haben jetzt eine Grundlage, auf der wir aufbauen können – wir wissen, worauf wir bei zukünftigen Astronauten auf Langzeit-Explorationsmissionen [und im Weltraum] achten und worauf wir achten müssen, sagt sie.

Obwohl einige der Änderungen unerwartet sind, sind viele kein Grund zur Besorgnis. Was mich erstaunt, ist, wie gut wir uns an den Weltraum anpassen, sagt Jeffrey Sutton, Direktor des Zentrums für Weltraummedizin des Baylor College of Medicine, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war. Blutzellmutationen gingen bei Kelly zurück, während er im Weltraum war (eine totale Überraschung für Mason). Auch Astronauten stellten aus verringerte Werte von Biomarkern im Zusammenhang mit dem Altern und erhöhte Mikro-RNA-Spiegel die die Reaktion des Gefäßsystems auf Strahlenschäden und Mikrogravitation regulieren. Eines der seltsamsten Ergebnisse war, dass es den Darmmikrobiomen der Astronauten gelang, auf der ISS gefundene Weltraummikroben zur Erde zurückzubringen.

Die Studien einzeln und insgesamt sind wirklich beeindruckend, sagt Sutton. Wir sind in eine neue Ära der biomedizinischen Weltraumforschung eingetreten, in der die Ansätze und Werkzeuge der Präzisions- und Translationsmedizin angewendet werden, um unser Verständnis der menschlichen Anpassung an den Weltraum zu erweitern.

Langstreckensorgen

Letztendlich zeigen die Daten jedoch, wie viel Chaos und Stress selbst die gesündesten Körper bei Weltraummissionen erleiden – was sich auf die Planung längerer Missionen auswirken sollte. Ich glaube nicht, dass wir nahe daran sind, ungeschulte Menschen für wirklich lange Zeit ins All zu schicken, sagt Scott Kelly.

Physiologisch hält er es für wahrscheinlich sicher, Menschen zum Mars und zurück zu schicken. In ferner Zukunft werden wir jedoch statt zum Mars zu den Monden von Jupiter oder Saturn fliegen, sagt er. Du wirst jahrelang im Weltraum sein. Und an diesem Punkt müssen wir uns die künstliche Schwerkraft als Abhilfe genauer ansehen. Ich möchte nicht auf der Oberfläche eines anderen Planetenkörpers ankommen und nicht funktionieren können. Ein Jahr oder so ist praktikabel. Mehrere Jahre sind es wahrscheinlich nicht.

Scott Kelly verwendet Ultraschall, um mit Hilfe von Gennady Padalka seine Halsvene abzubilden, um die Wirksamkeit einer Unterkörper-Unterdruck-Gegenmaßnahme zu bewerten, die verwendet wird, um die kopfwärts gerichtete Flüssigkeitsverschiebung umzukehren, die in der schwerelosen Umgebung des Weltraums auftritt.

NASA

Wir sind noch weit davon entfernt, solche Risiken bewerten zu müssen. Mason und seine Kollegen schlagen vor, dass es pharmakologische Strategien geben sollte, um die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Körper zurückkehrender Astronauten zu reduzieren.

Sutton glaubt Präzisionsmedizin könnte eine große Rolle bei der Anpassung dieser Medikamente spielen, um Astronauten vor den Auswirkungen der Schwerelosigkeit und der Strahlung zu schützen. Und die gemeinsamen biologischen Reaktionen von Astronauten und Mount-Everest-Kletterern legen nahe, dass einige Maßnahmen zum Schutz von Extremsportlern vor oxidativem Stress auch auf Astronauten angewendet werden könnten.

Was wir brauchen, sind mehr Daten – und mehr Populationen zum Vergleichen. Mason, Bailey und ihre Kollegen beginnen, Zell- und Genprofile von weiteren Astronauten zu sammeln , insbesondere diejenigen, die auf zukünftige einjährige Missionen gehen. Sie wollen auch Menschen untersuchen, die andere Bedingungen erlebt haben, die in gewisser Weise der Raumfahrt ähneln, wie Strahlentherapiepatienten, Piloten und Flugbegleiter.

Je mehr wir über die gesundheitlichen Auswirkungen von Langzeit-Raumflügen wissen, desto besser können wir dazu beitragen, die Gesundheit und Leistungsfähigkeit von Astronauten während und nach dem Weltraumflug zu erhalten, sagt Bailey. Solches Wissen kommt auch denen von uns auf der Erde zugute – wir alle machen uns Sorgen darüber, älter zu werden und bei schlechter Gesundheit zu sein.

Dieser Beitrag wurde mit Kommentaren von Afshin Beheshti aktualisiert.

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