NASA's Twins-studieresultaten gepubliceerd in Science Journal

Anonim

NASA's baanbrekende Twins-onderzoek betrok de laatste fasen van geïntegreerd onderzoek met de publicatie van een gecombineerd overzichtsartikel gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Science.

De mijlpaal Twins-studie bracht tien onderzoeksteams uit het hele land samen om te observeren welke fysiologische, moleculaire en cognitieve veranderingen kunnen optreden voor een mens door blootstelling aan ruimtevluchtgevaren. Dit werd bereikt door de vervallen astronaut Scott Kelly te vergelijken terwijl hij in de ruimte was, met zijn identieke tweelingbroer, de gepensioneerde astronaut Mark Kelly, die op aarde bleef.

De resultaten van de Twins-studie onthullen enkele interessante, verrassende en positief betrouwbare gegevens over hoe een enkel menselijk lichaam zich aanpaste aan de extreme omgeving van de ruimte. NASA heeft enig inzicht verworven in wat er na zes maanden aan boord van het internationale ruimtestation met het lichaam gebeurt, maar de eenjarige missie van Scott Kelly is een opstap naar langere expedities zoals missies naar Mars, wat drie jaar kan duren voor een rondreis .

Nu zijn gepensioneerde tweelingastronauten, Scott en Mark Kelly, onderwerpen aan de NASA Twins Study. Scott (rechts) bracht een jaar door in de ruimte, terwijl Mark (links) op aarde bleef als een controlepersoon. Onderzoekers keken naar de effecten van ruimtevaart op het menselijk lichaam. Het onderzoek is gepubliceerd in Science.

NASA erkent de Twins-studie als de eerste studie in zijn soort om moleculaire profielen van identieke tweelingastronauten te vergelijken, en er werd een methodologie vastgesteld om onderzoek van de tien teams te integreren. Omdat identieke tweelingen dezelfde genetische samenstelling hebben, bieden tweeledige onderzoeken een manier voor wetenschappers om te onderzoeken hoe onze gezondheid wordt beïnvloed door de omgeving om ons heen, onafhankelijk van de fysieke variaties die van nature tussen de meesten van ons als individuen optreden. Scott zorgde voor een testcase om te meten in de ruimte en Mark leverde een baseline testcase om die metingen op aarde te vergelijken.

De resultaten van de tien onderzoeksteams zijn hieronder samengevat. Deze gegevens kunnen nog tientallen jaren worden gebruikt, omdat NASA de gezondheid en veiligheid van astronauten die de uitdagingen van ruimteverkenning nastreven, wil verzekeren.

Telomeren: de uiteinden van elke DNA-streng (ook bekend als deoxyribonucleïnezuur; een nucleïnezuur in de chromosomen van de cel dat de gecodeerde genetische instructies van de cel bevat) hebben speciale kenmerken die telomeren worden genoemd. Telomeren beschermen onze chromosomen, omdat plastic handvatten springtouwen beschermen. Telomere lengtes hebben de neiging korter te worden naarmate we ouder worden; echter, levensstijlfactoren, stress en blootstelling van het milieu kunnen ook van invloed zijn op de snelheid waarmee deze verkorting optreedt. Een van de meest opvallende ontdekkingen uit NASA's Twins-onderzoek is dat Scott een verandering in de telomerenlengtedynamiek ervaart tijdens ruimtevluchten en binnen enkele dagen na de landing. Resultaten van dit onderzoek kunnen helpen om de algemene gezondheid te evalueren en mogelijke langetermijnrisico's te identificeren.

Immunome: Scott ontving drie griepvaccins, elk met een jaar uit elkaar; eerst op aarde, tweede in de ruimte (de eerste keer dat een astronaut een vaccin kreeg terwijl hij in de ruimte was), en de derde keer op aarde. Uit deze studie bleek dat het lichaam van Scott op de juiste manier op het vaccin reageerde. Dit is een belangrijke bevinding omdat het de NASA in staat stelt meer vertrouwen te hebben dat het immuunsysteem op de juiste manier in de ruimte reageert, mocht een vaccin ooit nodig zijn, tijdens langdurige missies.

Genexpressie: monsters genomen voor, tijdens en na Scott's missie in de ruimte onthulden enkele veranderingen in genexpressie. Mark ervoer ook veranderingen in het normale bereik in genexpressie op aarde, maar niet dezelfde veranderingen als Scott. Veranderingen die Scott heeft meegemaakt, zijn mogelijk in verband gebracht met zijn langdurige verblijf in de ruimte. De meeste van deze veranderingen (ongeveer 91, 3%) keerden terug naar de basislijn nadat hij naar de aarde was teruggekeerd; een kleine subset bleef echter na zes maanden bestaan. Van sommige waargenomen DNA-schade wordt aangenomen dat deze het gevolg is van blootstelling aan straling. Genexpressie-gegevens bevestigden en ondersteunden andere bevindingen in de Twins-studie, inclusief de reactie van het lichaam op DNA-schade, telomere regulatie, botvorming en stress van het immuunsysteem. Deze bevindingen laten zien hoe een menselijk lichaam zich kon aanpassen aan de extreme omgeving van de ruimte en helpen onderzoekers beter te begrijpen hoe omgevingsstressoren de activiteit van verschillende genen beïnvloeden, wat leidt tot een beter begrip van fysiologische processen in de ruimte.

Cognitie: op enkele uitzonderingen na bleef de cognitieve prestatie van Scott (zoals mentale alertheid, ruimtelijke oriëntatie, herkenning van emoties) grotendeels onveranderd gedurende zijn tijd in de ruimte, en ten opzichte van Mark op de grond. Dit is belangrijk omdat het suggereert dat astronauten hoge niveaus van cognitieve prestaties kunnen handhaven voor langere tijdsperioden in de ruimte. Echter, een meer uitgesproken afname in snelheid en nauwkeurigheid werd waargenomen nadat hij geland was en zes maanden lang bleef bestaan. De waargenomen veranderingen vlak na de landing zijn mogelijk het gevolg van herbelichting en aanpassing aan de zwaartekracht van de aarde, en het drukke schema dat Scott na zijn missie omhulde.

Biochemisch: het bestuderen van verschillende elementen in Scott vond dat zijn lichaamsgewicht tijdens de vlucht met zeven procent afnam. Dit komt waarschijnlijk door toegenomen lichaamsbeweging en gecontroleerde voeding tijdens zijn missie, maar hij heeft ook ongeveer 30% minder calorieën verbruikt dan de onderzoekers dachten. Zijn botafbraak en bothervormingscyclus deden zich sneller voor tijdens de eerste zes maanden dat hij in de ruimte was, maar vertraagden in de tweede helft toen zijn trainingsvolume lager was. Zijn chemie van bloed- en urinemonsters wees erop dat zijn foliumzuurstatus (vitamine B-9) laag was vóór de vlucht, maar tijdens de vlucht opliep, waarschijnlijk als gevolg van betere voedselkeuze uit het ruimtelevensmiddelensysteem. Foliumzuur heeft veel belangrijke functies in het lichaam, waaronder ondersteuning van de DNA-synthese. Er is zelfs een verband tussen Scott's foliumzuurstatus en telomeerdynamica. Deze gegevens ondersteunen het feit dat voeding een belangrijke rol speelt in alle aspecten van gezondheid in de ruimte en op aarde.

Microbiome: een zeer divers microbioom (bacteriën in de darm) wordt over het algemeen geassocieerd met een goede gezondheid. Scott's darmflora bleek tijdens de vlucht van preflight diep van elkaar te verschillen. Dit kan te wijten zijn aan het voedsel dat hij op het ruimtestation consumeerde (voornamelijk gevriesdroogd of thermostabiel voorverpakt voedsel), hoewel andere ruimtespecifieke omgevingsfactoren mogelijk ook hebben bijgedragen. Toen hij weer op aarde landde, keerde het microbioom van Scott terug naar de preflight-status. Het was geruststellend om te zien hoeveel Scott's darmbacteriën terugkeerden. Bevindingen uit dit onderzoek kunnen onderzoekers een beter begrip bieden van hoe de algehele gezondheid kan worden verbeterd, zoals het aanpassen van het dieet van astronauten om nuttige bacteriën te helpen gedijen.

Epigenomics: deze studie onderzocht hoe de omgeving van de tweeling de veranderingen in DNA-methylering beïnvloedde, wat een aanzienlijke invloed heeft op veel biochemische reacties in het lichaam. Onderzoekers ontdekten dat Scott epigenetische veranderingen ervoer, maar de mate van veranderingen was niet groter dan die van Mark op aarde. Bovendien vonden de meeste epigenetische veranderingen van Scott plaats tijdens de tweede zes maanden van de missie en zouden ze niet zijn waargenomen in een kortere missie. De witte bloedcellen van Scott onthulden genen, of regio's van het genoom, waar DNA-methylatie tijdens de vlucht werd gewijzigd, maar bij terugkeer terugkeerde naar de basislijn. Deze regio's waren anders dan die in Mark, waarmee onderzoekers worden geholpen om genen te identificeren die het meest reageren op de omgevingsomgeving. Deze resultaten openen de deur naar epigenetische metingen van astronauten op lange ruimtemissies en kunnen helpen vaststellen of met ruimtevaart geassocieerde veranderingen tijdelijk of van lange duur zijn. Ze kunnen ook helpen vaststellen welke preventieve tegenmaatregelen de gezondheid van astronauten beter kunnen beschermen.

Metabolomics: in de metabolomics-studie werd gezocht naar tekenen van atherosclerose (vernauwing van de binnenkant van een aderwand als gevolg van opbouw van plaque), die kan worden veroorzaakt door ontsteking en oxidatieve stress tijdens ruimtevluchten. Door de halsslagader af te beelden met behulp van echografie en bloed en urine te bemonsteren, vonden de onderzoekers tijdens en onmiddellijk na zijn missie aanwijzingen voor ontsteking en wandverdikking van de halsslagader in Scott, maar in Markus werden dergelijke veranderingen niet waargenomen. Of deze aanpassing omkeerbaar is, moet nog worden bepaald. Resultaten van deze studie helpen onderzoekers om de effecten van lange-duur ruimtevlucht op het cardiovasculaire systeem beter te begrijpen.

Proteomics: Het proteomics-team onderzocht vloeistofverschuivingen in het lichaam, de structuur van het oog en eiwitten in de urine om te zien of veranderingen in eiwitroutes in reactie op vloeistofverschuivingen kunnen bijdragen aan de zichtproblemen van sommige astronauten. Ze vonden dat een eiwit, AQP2, in Scott in de ruimte was verhoogd vergeleken met Mark op de grond. AQP2 reguleert de reabsorptie van water in het lichaam en is een nuttige indicator voor hydratatie of dehydratatie. Deze resultaten helpen om de puzzel van zichtproblemen tijdens ruimtevluchten bij elkaar te brengen.

Integratieve Omics: ten slotte onderzocht het longitudinale geïntegreerde multi-omics analyse team alle biomedische en moleculaire gegevens verzameld door de andere negen onderzoeksteams om de meest omvattende visie te produceren van hoe het menselijk lichaam reageert op ruimtevluchten. Onderzoekers vonden drie sterke aanwijzingen van ontsteking in Scott in de ruimte. Interessant is dat sommige van deze markers ook in Mark waren verheven.

De Twins-studie toonde de veerkracht en robuustheid aan van hoe een menselijk lichaam zich kan aanpassen aan een veelvoud van veranderingen die door de ruimtevluchtomgeving worden veroorzaakt. Onderzoekers ontdekten dat veel van de geobserveerde reacties van Scott terugkwamen naar preflight-niveaus aan het einde van de studie. Deze omvatten immuunresponsen, epigenetische veranderingen, darmbacteriën, lichaamsgewicht en serummetabolieten. Sommige factoren werden pas na de landing beïnvloed. Deze omvatten enkele indicatoren van ontsteking en immuunrespons. Een paar factoren bleven veranderd aan het einde van het onderzoek. Deze omvatten een kleine subset van veranderingen in genexpressie, telomeerdynamica, DNA-verstoring, verdikking van de halsslagader, oculaire veranderingen en enkele cognitieve functies.

Bevindingen van de Twins-studie kunnen worden gebruikt om nieuwe behandelingen en preventieve maatregelen voor stressgerelateerde gezondheidsrisico's op aarde te ontwikkelen. Telomere-onderzoek kan bijvoorbeeld de inspanningen om de effecten van veroudering en ziekte te verminderen, verbeteren. Het proteomische onderzoek kan implicaties hebben voor onderzoek naar traumatisch hersenletsel. Onderzoek bij astronauten zou nieuwe inzichten kunnen geven in hoe veranderingen in het lichaam gerelateerd zijn aan risicofactoren voor ziekten. Dit zijn slechts enkele van de vele manieren waarop ruimtevaartonderzoek de mensheid kan helpen.

NASA heeft een rigoureus trainingsproces om astronauten voor te bereiden op hun missies, een grondig geplande levensstijl en werkregime terwijl ze in de ruimte zijn, en een uitstekend rehabilitatie- en reconditioneringsprogramma voor hen wanneer ze terugkeren naar de aarde. Dankzij deze maatregelen en de astronauten die ze hardnekkig bereiken, blijft het menselijk lichaam robuust en veerkrachtig zelfs na een jaar in de ruimte te hebben doorgebracht. Onderzoek van de mijlpaal-tweelingstudie kan de onderzoeken van het Human Research Program van NASA de komende jaren begeleiden, terwijl de NASA prioriteit blijft geven aan de gezondheid en veiligheid van astronauten op ruimtevluchtmissies, met name langdurige missies op het internationale ruimtestation en de maan, Mars en werelden daarbuiten.

//www.nasa.gov/twins-study

---

Het Human Research Program (HRP) van de NASA zet zich in voor het ontdekken van de beste methoden en technologieën om veilige, productieve menselijke ruimtevaart te ondersteunen. HRP maakt verkenning van de ruimte mogelijk door het verminderen van de risico's voor de gezondheid en prestaties van astronauten met behulp van faciliteiten voor grondonderzoek, het internationale ruimtestation en analoge omgevingen. Dit leidt tot de ontwikkeling en levering van een biomedisch onderzoeksprogramma gericht op: het informeren van de normen voor de menselijke gezondheid, prestaties en bewoonbaarheid; de ontwikkeling van tegenmaatregelen en oplossingen voor risicovermindering; en geavanceerde bewoonbaarheid en medische ondersteuningstechnologieën. HRP ondersteunt innovatief, wetenschappelijk onderzoek door meer dan 300 onderzoeksbeurzen te besteden aan gerespecteerde universiteiten, ziekenhuizen en NASA-centra aan meer dan 200 onderzoekers in meer dan 30 staten.

menu
menu