Rumflyvning påvirker konsekvent tarmen

En ny undersøgelse fra Northwestern University opdagede, at rumflyvning - både ombord på en rumfærge eller den internationale rumstation (ISS) - har en konsekvent effekt på tarmmikrobiomet

Northwestern-forskerne udviklede et nyt analytisk værktøj til at sammenligne mikrobiomdata fra mus så langt tilbage som i 2011. Kaldet STARMAPS (Similarity Test for Accordant and Reproducible Microbiome Abundance Patterns), værktøjet angiver, at rumflyvning forårsager en bestemt, konsekvent ændring af overfloden, forhold og mangfoldighed af bakterier i tarmen.

Måske mest overraskende, holdet brugte også STARMAPS til at sammenligne rumflyvningsdata med data indsamlet fra jordbaserede undersøgelser om virkningerne af stråling på tarmen. De udelukkede effektivt rumstråling som årsag til ændringer i mikrobiomet under rumflyvning.

"Stråling har helt sikkert en effekt på tarmmikrobiomet, " sagde Northwesterns Martha Vitaterna, der ledede undersøgelsen. "Men disse effekter ligner ikke, hvad vi så i rumflyvning."

Undersøgelsen blev offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Microbiome. Vitaterna er forskningsprofessor i neurobiologi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Peng Jiang, forskningsassistent i neurobiologi ved Weinberg, var avisens første forfatter.

Vitaterna og mangeårige samarbejdspartner Fred W. Turek, også fra Northwestern, ledet mikrobiomsektionen af ​​NASAs tvillingestudie, som sammenlignede fysiologiske ændringer hos astronaut Scott Kelly med hans jordbundne tvilling Mark. Selvom Turek og Vitaterna fandt ud af, at et år i rummet påvirkede astronaut Scott Kellys tarmmikrobiom, det var ikke nok data til at drage generelle konklusioner om virkningerne af rumflyvning på menneskekroppen.

"Hvis vi skal sende mennesker til Mars eller på lange missioner til månen, det er vigtigt at forstå virkningerne af langvarig eksponering af rummiljøet på os - og på trillioner af bakterier, der rejser med os, " sagde Turek, Charles og Emma Morrison professor i neurobiologi i Weinberg, der var medforfatter til avisen. "Mens vi har studeret virkningerne af et år i rummet på Scott Kellys mikrobiota, vi er nødt til at bruge mus i større antal for at fastslå virkningerne af rummet."

Nødvendighed giver redskaber

NASA har undersøgt virkningerne af mikrogravitation på muses biologiske processer i mange år. I efteråret 2014, den leverede sin første gruppe mus til ISS for et 37-dages ophold. Siden dette eksperiment (kaldet Rodent Research-1), NASA har efterfølgende leveret yderligere syv grupper af mus til ISS, herunder Northwestern-holdets Rodent Research-7-eksperiment.

Vitaterna og Jiang startede med prøver fra Rodent Research-1, som omfattede rumflyvningsgruppen plus en matchet jordkontrolgruppe, en baseline-gruppe og en laboratoriegruppe, der var anbragt i en konventionel musefacilitet i samme varighed af turen. De så også på museprøver fra den sidste amerikanske rumfærgemission, STS 135, som blev lanceret i 2011.

Forskere har kæmpet for at knuse alle data på grund af den store mængde af dem. Der er hundredvis af forskellige bakteriearter i tarmen, og forskellige individer kan have vidt forskellige tarmbakteriesamfund ved starten af ​​et eksperiment. Dette gør det udfordrende at opdage, når der er en ensartet respons.

"Der var ikke en statistisk tilgang til at udføre dette arbejde, " sagde Vitaterna. "Værktøjerne eksisterede ikke, så vi opfandt dem. Det er et klassisk tilfælde af, hvordan nødvendigheden er opfindelsens moder."

"Vi vidste, at rumflyvning påvirker mikrobiomet, så vi kunne have set på dette anekdotisk, " sagde Jiang. "Men der er mange begrænsninger for det. Vi havde brug for en mere omfattende udsigt på højt niveau. Så kunne vi sige, at mikrobiomændringer er sammenlignelige blandt flere rumflyvninger."

Kortlægning af mikrobiomet

STARMAPS giver en ny metode til at placere alle data fra forskellige eksperimenter i det samme multidimensionelle rum. Så kan brugerne lettere se mønstre, hvor forskellige typer bakterier bliver mere eller mindre rigelige under forskellige forhold.

Ved at bruge dette værktøj, Northwestern-forskerne bemærkede straks, at mikrobiomer i rumflyvning og jordkontrolmus så meget anderledes ud end de to andre grupper. Jordkontrolgruppen bor i en miljøsimulator, der direkte matcher rumflyvningens habitater. Gassammensætningen, temperatur og kost er nøjagtig det samme.

"Vi fandt ud af, at habitat har en stor indflydelse, " sagde Vitaterna.

Selvom forskerne ikke brugte STARMAPS til at analysere prøver indsamlet fra astronaut Scott Kelly i løbet af sit år i rummet, de bemærkede, at hans data passede på samme måde, konsekvent mønster forårsaget af rumflyvning.

"Nogle af ændringerne på højt niveau ligner hinanden, " sagde Jiang. "Vi så forholdet mellem de samme hovedtyper af bakterier ændre sig i samme retning og en lille stigning i den samlede mangfoldighed. Det er konsekvent."

Udelukker stråling

Men, stadig, rumflyvnings- og jordkontrolmusenes mikrobiomer var ret forskellige fra hinanden. Dette beviser, at der er en særskilt effekt fra rumflyvning. For at finde ud af, hvad der kan forårsage denne effekt, forskerne gravede dybere.

En mulighed var, at eksponering for stråling i rummet kunne forårsage mikrobiomskiftet. Jiang fandt flere jordbaserede undersøgelser af virkningerne af stråling på musemikrobiomet og analyserede dem med STARMAPS. De opdagede, at mikrobiomskiftene forårsaget af rumflyvning versus stråling ikke matchede.

Vitaterna og Jiang mener, at mikrogravitation kan forårsage rumflyvningseffekten, men de er enige om, at der skal arbejdes mere. De behandler i øjeblikket prøver fra Rodent Research-7 og håber, at data vil indeholde flere spor. Vitaterna sagde, at mangfoldigheden og forholdet mellem tarmbakterier under rumflyvning ligner stress mest.

"At forstå de faktorer, der kan reducere denne form for mikrobiomændringer, ville være nyttig information at have - for at udligne virkningerne af stress på Jorden, " sagde hun. "Forståelse af, hvilke genetiske faktorer der bidrager til forskelle i bakteriestammer, vil være nyttig til at udvikle modforanstaltninger, der kan beskytte dit mikrobiom i stressende perioder."