Как космические путешествия влияют на иммунитет и старение

Автор: Unsplash/CC0 Public Domain

Пока люди путешествовали в космос, астронавты испытывали значительные последствия для здоровья от экстремальных условий космического полета, в частности, от снижения гравитации.

«Мы показываем, как моделируемая микрогравитация формирует иммунные клетки и как изменения силы меняют функции клеток на уровне отдельных клеток», — сказал Винер. «Этот уровень разрешения является новым и интересным для понимания воздействия микрогравитации на клетки».

Используя клетки в моделируемой микрогравитации в сочетании с данными космического полета астронавтов и мышей на Международной космической станции, исследователи создали полную картину того, как различные клетки иммунной системы в периферической крови формируются под действием пониженной гравитации. К этим клеткам относятся лимфоциты и моноциты, которые играют главную роль в иммунитете.

Исследование имеет потенциальные последствия для иммунного старения на Земле, поскольку изменения, наблюдаемые во время старения, напоминают те, которые наблюдаются во время космических путешествий.

Команда дополнительно обрисовывает путь идентификации соединений, которые могут обратить вспять эффекты почти невесомости, и демонстрирует, что одно из соединений, кверцетин, обещает смягчить ущерб, причиненный космическим полетом и во время нормального старения на земле.

«Наша работа дает возможность лучше понять, как и почему иммунная система меняется в моделируемой микрогравитации и космическом полете», — сказал Фурман. «Мы также даем возможность разработать контрмеры для поддержания нормального иммунитета в этих суровых условиях».

Астронавты на низкой околоземной орбите, например, на Международной космической станции, страдают от проблем с иммунной системой, особенно от инфекций, реактивации латентных вирусов и чувствительности кожи. Эти реакции возникают даже при кратковременных космических полетах.

Предыдущие исследования с использованием реальных или смоделированных условий микрогравитации выявили нарушение функции различных иммунных клеток. Однако фундаментальные механизмы, гены и пути, объясняющие иммунную дисфункцию в условиях микрогравитации, по большей части неясны, говорят исследователи. Они хотели понять, что происходит на клеточном уровне, чтобы объяснить изменения.

Команда, возглавляемая соавтором исследования Баком, докторантом Фей Ву, доктором философии. и аспирант Хуэсюнь Ду подробно изучили, как 25 часов имитации микрогравитации влияют на мононуклеарную иммунную систему периферической крови человека, используя образцы 27 здоровых доноров в возрасте от 20 до 46 лет.

Чтобы смоделировать среду, в которой практически отсутствует гравитация, команда вырастила клетки внутри сосуда с вращающейся стенкой — устройства, разработанного НАСА для имитации условий микрогравитации.

Чтобы изучить изменения, вызванные снижением гравитации, команда использовала ряд методов, включая секвенирование и микроскопию сверхвысокого разрешения.

Затем они подтвердили свои выводы, сравнив данные с другими космическими исследованиями, проведенными на людях и мышах, включая миссию JAXA (исследование бесклеточного эпигенома), миссию SpaceX Inspiration 4,исследование близнецов НАСА и селезенки мышей, размещенных на Международной космической станции..

«Интересно, что изменения в механических силах, по-видимому, управляют функцией иммунных клеток», — сказал Винер, чей интерес к изучению космической медицины вырос после того, как он углубился в развивающуюся область механоиммунологии или то, как силы окружающей среды влияют на функцию иммунных клеток. Части астроиммунологии связаны с механоиммунологией, но, по его словам, она зарекомендовала себя как новая область, открывающая путь к лучшему пониманию того, как помочь иммунной системе выжить в космосе.

После обнаружения нескольких генов и биохимических путей, на которые влияет микрогравитация, команда хотела посмотреть, смогут ли они найти какие-либо конкретные лекарства или добавки, которые могли бы защитить иммунные клетки. Чтобы помочь им в поиске, они использовали технологию машинного обучения, разработанную Фурманом из Buck, которая может обнаружить более 2 миллионов взаимодействий между генами и различными лекарствами и продуктами питания.

Они определили десятки потенциальных соединений и выбрали одно, растительный пигмент кверцетин (часто встречающийся в красном луке, винограде, ягодах, яблоках и цитрусовых), для дальнейшего изучения, поскольку он широко доступен в качестве антиоксидантной и омолаживающей добавки. Кверцетин обратил вспять примерно 70 процентов изменений, вызванных отсутствием гравитации, и защитил клетки от избытка активных форм кислорода.

«Эти результаты определяют признаки изменения иммунных клеток в моделируемой микрогравитации, а также корреляцию с воздействием космических полетов на мышей и людей», — сказал Винер.

«Эта работа помогает определить направления будущих исследований в области механоиммунологии и астроиммунологии и предоставляет возможности для разработки контрмер для поддержания нормальной клеточной функции в космосе».

Фурман добавляет, что эта публикация устанавливает стандарты анализа физиологических изменений, сопровождающих космические путешествия. «Это первое комплексное исследование, которое предоставляет научному сообществу во всем мире атлас для понимания биологии человека в таких экстремальных условиях», — говорит он.

«Последствия огромны и выходят за рамки людей в космосе», — добавляет он. Исследователи с нетерпением ждут возможности изучить параллельные изменения, которые они обнаруживают, которые происходят у стареющих людей на местах, и использовать полученные знания для разработки мер, которые потенциально могут обратить вспять иммунную дисфункцию, сопровождающую старение.

Больше информации: Single Cell Analysis Identifies Conserved Features of Immune Dysfunction in Simulated Microgravity and Spaceflight, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-42013-y