Mikrogravitation i rymden stör människans fysiologi och är skadligt för astronauternas hälsa, ett faktum som först insågs under tidiga Apollo-uppdrag när astronauter upplevde störningar i innerörat, hjärtarytmi, lågt blodtryck, uttorkning, och förlust av kalcium från deras ben efter deras uppdrag.

En av de mest slående observationerna från Apollo-uppdrag var att drygt hälften av astronauterna blev sjuka av förkylningar eller andra infektioner inom en vecka efter att de återvänt till jorden. Vissa astronauter har till och med upplevt återaktivering av vilande virus, som vattkoppsvirus. Dessa fynd stimulerade studier om effekterna av svag gravitation, eller "mikrogravitation, "på immunförsvaret, som forskare har undersökt i årtionden av bemannade raketuppskjutningar, skyttelresor och rymdstationer, eller ibland genom att simulera rymdgravitationen i jordbundna laboratorier.

I den sista studien ledd av en av de första kvinnliga astronauterna, Millie Hughes-Fulford, Ph.D., forskare vid UCSF och Stanford University har nu visat att försvagningen av en astronauts immunsystem under rymdfärder sannolikt delvis beror på onormal aktivering av immunceller som kallas T-regulatorceller (Tregs).

Tregs utlöses normalt för att minska immunsvaret när infektion inte längre hotar och är viktiga regulatorer av immunsvar i sjukdomar som sträcker sig från cancer till covid-19. Under mikrogravitationsförhållanden, dock, forskarna hittade förändringar i Tregs som förberedde dem att gå till jobbet redan innan immunförsvaret utmanades. När de stimulerade ett immunsvar i mänskliga immunceller från blodprover i mikrogravitation, med en kemikalie som ofta används i forskning för att efterlikna en sjukdomspatogen, de fann att Tregs hjälpte till att undertrycka immunsvaret som utlöstes. Denna oväntade upptäckt publiceras online den 7 juni i tidskriften Nature Vetenskapliga rapporter .

Hughes-Fulford blev den första kvinnliga nyttolastspecialisten som kretsade runt jorden med sina experiment 1991, och i decennier, fram till hennes död på grund av leukemi i februari, hon studerade effekterna av mikrogravitation på hälsan, först med tonvikt på osteoporos och senare med fokus på immunförsvaret. Som forskare vid San Francisco Veterans Affairs Medical Center och en UCSF-fakultetsmedlem länge knuten till Institutionen för medicin, Hughes-Fulford mentorade blivande rymdforskare, inklusive huvudutredarna för denna senaste immunologistudie.

Jordan Spatz, Ph.D., en rymdforskare och UCSF-läkarstudent som blev co-PI i studien efter Hughes-Fulfords död, noterade att allt eftersom rymdresor blir alltmer kommersialiserade och vanligare, oron över rymdresenärers hälsotillstånd kommer sannolikt att växa.

"Tidigt i rymdprogrammet, de flesta astronauter var unga och extremt friska, men nu tenderar de att ha mycket mer träning och är äldre, " sade Spatz. "Dessutom, förutom astronauter, med kommersialiseringen av rymdflyg kommer det att finnas många fler äldre och mindre friska individer som upplever mikrogravitation. Ur ett rymdmedicinskt perspektiv, vi ser att mikrogravitation gör många dåliga saker med människokroppen, och vi hoppas kunna få förmågan att mildra några av effekterna av mikrogravitation under rymdresor."

Den nya studien avancerade tidigare forskning ledd av Hughes-Fulford, bekräftar några av hennes tidigare fynd från experiment i rymden och i simulerad mikrogravitation, samtidigt som de bidrar med ytterligare molekylära upptäckter. Hughes-Fulford hade tidigare funnit svagare svar från T-lymfocyter i immunsystemet, av vilka några angriper specifika patogener direkt och några av dem hjälper till att orkestrera immunsvaret.

"Det är ett dubbelt slag, " sa co-PI Brice Gaudilliere, MD, Ph.D., en docent vid institutionen för anestesi vid Stanford University School of Medicine. "Det finns en dämpning av T-lymfocyternas immunaktiveringssvar, men också en exacerbation av immunsuppressiva svar av Tregs." Forskarna fann också att "naturliga mördare" lymfocyter var mindre aktiva under simulerad mikrogravitation, medan antikroppsproducerande B-celler verkade vara opåverkade.

Forskarna simulerade mikrogravitation i blodprover med en specialiserad, cylindrisk, cellkulturkärl med motordriven rotation, ett sedan länge etablerat forskningsverktyg för mikrogravitation, men metoden för encellsanalys var unik. Forskarna identifierade individuella immunceller efter specifik typ och använde metalltaggar och masspektroskopi för att samtidigt upptäcka och kvantifiera dussintals proteiner som spelar en roll i immunfunktionen, förutom att bekräfta tidigare identifierade mönster av förändrad genaktivering.