Astronauter står inför många utmaningar för sin hälsa, på grund av de exceptionella förhållandena vid rymdfärd. Bland dessa finns en mängd olika infektiösa mikrober som kan attackera deras undertryckta immunsystem.

Nu, i den första studien i sitt slag, Cheryl Nickerson, huvudförfattaren Jennifer Barrila och deras kollegor beskriver infektionen av mänskliga celler av tarmpatogenen Salmonella Typhimurium under rymdfärd. De visar hur mikrogravitationsmiljön vid rymdfärd förändrar molekylprofilen hos mänskliga tarmceller och hur dessa uttrycksmönster ytterligare förändras som svar på infektion. I en annan första, forskarna kunde också upptäcka molekylära förändringar i den bakteriella patogenen medan de var inne i de infekterade värdcellerna.

Resultaten ger nya insikter om infektionsprocessen och kan leda till nya metoder för att bekämpa invasiva patogener under rymdfärd och under mindre exotiska förhållanden här på jorden.

Resultaten av deras ansträngningar visas i det aktuella numret av tidskriften Nature Publishing Group npj Mikrogravitation .

Uppdragskontroll

I studien, mänskliga tarmepitelceller odlades ombord på rymdfärjans uppdrag STS-131, där en undergrupp av kulturerna antingen infekterades med Salmonella eller förblev som oinfekterade kontroller.

Den nya forskningen avslöjade globala förändringar i RNA- och proteinuttryck i mänskliga celler och RNA-uttryck i bakterieceller jämfört med markbaserade kontrollprover och förstärker teamets tidigare upptäckter att rymdfärder kan öka potentialen för infektionssjukdomar.

Nickerson och Barrila, forskare vid Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, tillsammans med sina kollegor, har använt rymdfärd som ett unikt experimentellt verktyg för att studera hur förändringar i fysiska krafter, som de som är förknippade med mikrogravitationsmiljön, kan förändra svaren från både värden och patogenen under infektion. Nickerson är också professor vid School of Life Sciences vid ASU.

I en tidigare serie banbrytande rymdflygningar och markbaserade rymdflygningsanalogstudier, Nickersons team visade att rymdfärdsmiljön kan intensifiera sjukdomsframkallande egenskaper eller virulens hos patogena organismer som Salmonella på sätt som inte observerades när samma organism odlades under konventionella förhållanden i laboratoriet.

Studierna gav ledtrådar om de underliggande mekanismerna för den förhöjda virulensen och hur den kan tämjas eller överlistas. Dock, dessa studier gjordes när endast Salmonella odlades i rymdfärd och infektionerna gjordes när bakterierna återfördes till jorden.

"Vi uppskattar möjligheten som NASA gav vårt team att studera hela infektionsprocessen i rymdfärd, som ger ny insikt i infektionssjukdomars mekanobiologi som kan användas för att skydda astronauternas hälsa och minska riskerna för infektionssjukdomar, Nickerson säger om den nya studien. "Detta blir allt viktigare när vi övergår till längre mänskliga utforskningsuppdrag som är längre bort från vår planet."

Undersöka en bekant motståndare

Salmonellastammar som är kända för att infektera människor fortsätter att härja samhället, som de har gjort sedan antiken, orsakar cirka 1,35 miljoner livsmedelsburna infektioner, 26, 500 sjukhusinläggningar, och 420 dödsfall i USA varje år, enligt Centers for Disease Control. Patogenen kommer in i människokroppen genom intag av förorenad mat och vatten, där det fäster och invaderar in i tarmvävnaden. Infektionsprocessen är en dynamisk dans mellan värd och mikrob, dess rytm dikteras av de biologiska och fysiska signaler som finns i vävnadens miljö.

Trots årtionden av intensiv forskning, forskare har fortfarande mycket att lära sig om subtiliteterna av patogen infektion av mänskliga celler. Invasiva bakterier som Salmonella har utvecklat sofistikerade motåtgärder till mänskligt försvar, låta dem blomstra under fientliga förhållanden i människans mage och tarm för att smygande undvika immunförsvaret, vilket gör dem mycket effektiva medel för sjukdomar.

Frågan är av särskild medicinsk oro för astronauter under rymdfärder. Deras immunsystem och mag-tarmfunktion förändras av rymdresornas påfrestningar, medan effekterna av låg gravitation och andra variabler i rymdfärdsmiljön kan intensifiera de sjukdomsframkallande egenskaperna hos liftande mikrober, som Salmonella. Denna kombination av faktorer utgör unika risker för rymdresenärer som arbetar hundratals mil över jorden – långt borta från sjukhus och lämplig medicinsk vård.

Allt eftersom tekniken går framåt, det förväntas att rymdresor kommer att bli vanligare – för rymdutforskning, biovetenskaplig forskning, och även som fritidssysselsättning (för de som har råd). Ytterligare, utökade uppdrag med mänskliga besättningar är vid horisonten för NASA och kanske rymdfärdsföretag som SpaceX, inklusive resor till månen och Mars. Ett misslyckande med att hålla bakterieinfektioner borta kan få fruktansvärda konsekvenser.

Hide and Seq

I den aktuella studien, mänskliga tarmepitelceller, det främsta målet för invasiva salmonellabakterier, infekterades med Salmonella under rymdfärd. Forskarna var angelägna om att undersöka hur rymdfärdsmiljön påverkade transkriptionen av mänskligt och bakteriellt DNA till RNA, såväl som uttrycket av den resulterande uppsättningen av mänskliga proteiner som produceras från RNA-koden, produkter från en process som kallas översättning.

Forskningen involverade en noggrann undersökning av transkriptionsprofiler av både den patogena Salmonella och de mänskliga cellerna de attackerar, såväl som proteinuttrycksprofilerna för de mänskliga cellerna för att mäta effekterna av rymdfärdsmiljön på värd-patogendynamiken.

För att åstadkomma detta, forskare använde en revolutionerande metod känd som dual RNA-Seq, som tillämpade djupsekvenseringsteknologi för att möjliggöra deras utvärdering av värd- och patogenbeteende under mikrogravitation under infektionsprocessen och möjliggjorde en jämförelse med teamets tidigare experiment som genomfördes ombord på rymdfärjan.

Värd- och patogendata som återvunnits från rymdfärdsexperiment jämfördes med de som erhölls när celler odlades på jorden under identiska hårdvara och odlingsförhållanden (t.ex. media, temperatur).

Jord och himmel

Tidigare studier av Nickerson och hennes kollegor visade att markbaserade rymdflygsanalogkulturer av Salmonella uppvisade globala förändringar i deras transkriptionella och proteomiska (protein) uttryck, förhöjd virulens, och förbättrad stressbeständighet - fynd som liknar de som producerades under deras experiment på STS-115 och STS-123 rymdfärjauppdrag.

Dock, dessa tidigare rymdfärdsstudier gjordes när endast Salmonella odlades i rymdfärd och infektionerna gjordes när bakterierna återfördes till jorden.

I kontrast, den nya studien utforskar för första gången, en samkultur av mänskliga celler och patogen under rymdfärd, ger ett unikt fönster in i infektionsprocessen. Experimentet, kallas STL-IMMUNE, var en del av Space Tissue Loss nyttolasten som bars ombord på STS-131, ett av rymdfärjans fyra sista uppdrag innan dess pensionering.

De mänskliga tarmepitelcellerna skickades ut i rymden (eller hölls i ett laboratorium vid Kennedy Space Center för markkontroller) i tredimensionella (3-D) vävnadsodlingssystem som kallas bioreaktorer av ihåliga fibrer. De ihåliga fiberbioreaktorerna innehöll var och en hundratals små, porösa halmliknande fibrer belagda med kollagen på vilka tarmcellerna fäste och växte. Dessa bioreaktorer hölls i cellkulturmodulen, ett automatiserat hårdvarusystem som pumpade varmt, syresatt cellodlingsmedia genom de små fibrerna för att hålla cellerna friska och växande tills de var redo för infektion med Salmonella.

Väl i omloppsbana, astronauter ombord på STS-131 aktiverade hårdvaran. Elva dagar senare, S. Typhimurium-celler injicerades automatiskt i en delmängd av hålfiberbioreaktorerna, där de mötte sitt mål – ett lager av mänskliga epitelceller.

RNA-Seq och proteomiska profiler visade signifikanta skillnader mellan oinfekterade tarmepitelkulturer i rymden jämfört med de på jorden. Dessa förändringar involverade viktiga proteiner som är viktiga för cellstrukturen såväl som gener som är viktiga för att upprätthålla den intestinala epitelbarriären, celldifferentiering, spridning, sårläkning och cancer. Baserat på deras profiler, oinfekterade celler som exponeras för rymdfärder kan visa en minskad kapacitet för spridning, i förhållande till markkontrollkulturer.

Infektioner långt hemifrån

Mänskliga tarmepitelceller fungerar som kritiska vaktposter för medfödd immunfunktion. Resultaten av experimentet visade att rymdfärder kan orsaka globala förändringar av transkriptomet och proteomet hos mänskliga epitelceller, både infekterade och oinfekterade.

Under rymdfärd, 27 RNA-transkript förändrades unikt i tarmceller som svar på infektion, återigen etablerar rymdfartsmiljöns unika inflytande på interaktionen mellan värd och patogen. Forskarna observerade också 35 transkript som vanligtvis förändrades i både rymdbaserade och markbaserade celler, med 28 gener reglerade i samma riktning. Dessa fynd bekräftade att åtminstone en delmängd av infektionsbiosignaturerna som är kända för att förekomma på jorden också förekommer under rymdfärd. Jämfört med oinfekterade kontroller, infekterade celler i båda miljöerna visade genreglering associerad med inflammation, en signatureffekt av Salmonellainfektion.

Bakterietranskript detekterades också samtidigt i de infekterade värdcellerna och indikerade uppreglering av gener associerade med patogenes, inklusive antibiotikaresistens och stressreaktioner.

Resultaten hjälper till att bana väg för förbättrade ansträngningar för att skydda astronauternas hälsa, kanske genom användning av näringstillskott eller probiotiska mikrober. Pågående studier av detta slag, ska utföras ombord på den internationella rymdstationen och andra rymdmiljöer, bör ytterligare belysa de många mysterier som är förknippade med patogen infektion och det breda spektrum av mänskliga sjukdomar som de är ansvariga för.

"Innan vi började den här studien, vi hade omfattande data som visade att rymdfärder helt omprogrammerade Salmonella på alla nivåer för att bli en bättre patogen, " säger Barrila. "Separat, vi visste att rymdfärder också påverkade flera viktiga strukturella och funktionella egenskaper hos mänskliga celler som Salmonella normalt utnyttjar under infektioner på jorden. Dock, det fanns inga data som visade vad som skulle hända när båda celltyperna möttes i mikrogravitationsmiljön under infektion. Vår studie indikerar att det finns några ganska stora förändringar i det molekylära landskapet i tarmepitel som svar på rymdfärd, och detta globala landskap verkar förändras ytterligare under infektion med Salmonella."