Gli astronauti affrontano molte sfide per la loro salute, a causa delle condizioni eccezionali del volo spaziale. Tra questi ci sono una varietà di microbi infettivi che possono attaccare il loro sistema immunitario soppresso.

Ora, nel primo studio del genere, Cheryl Nickerson, l'autore principale Jennifer Barrila e i loro colleghi descrivono l'infezione delle cellule umane da parte del patogeno intestinale Salmonella Typhimurium durante il volo spaziale. Mostrano come l'ambiente di microgravità del volo spaziale cambia il profilo molecolare delle cellule intestinali umane e come questi modelli di espressione vengono ulteriormente modificati in risposta all'infezione. In un altro primo, i ricercatori sono stati anche in grado di rilevare i cambiamenti molecolari nel patogeno batterico mentre si trovavano all'interno delle cellule ospiti infette.

I risultati offrono nuove informazioni sul processo di infezione e possono portare a nuovi metodi per combattere gli agenti patogeni invasivi durante il volo spaziale e in condizioni meno esotiche qui sulla terra.

I risultati dei loro sforzi appaiono nell'ultimo numero della rivista Nature Publishing Group npj Microgravità .

Controllo della missione

Nello studio, cellule epiteliali intestinali umane sono state coltivate a bordo della missione Space Shuttle STS-131, dove un sottogruppo delle colture è stato infettato da Salmonella o è rimasto come controllo non infetto.

La nuova ricerca ha scoperto alterazioni globali nell'espressione di RNA e proteine ​​nelle cellule umane e nell'espressione di RNA nelle cellule batteriche rispetto ai campioni di controllo a terra e rafforza le precedenti scoperte del team secondo cui il volo spaziale può aumentare il potenziale di malattie infettive.

Nickerson e Barrila, ricercatori del Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, insieme ai loro colleghi, hanno utilizzato il volo spaziale come strumento sperimentale unico per studiare come i cambiamenti nelle forze fisiche, come quelli associati all'ambiente di microgravità, può alterare le risposte sia dell'ospite che del patogeno durante l'infezione. Nickerson è anche professore alla School of Life Sciences dell'ASU.

In una precedente serie di studi pionieristici sui voli spaziali e sui voli spaziali a terra, Il team di Nickerson ha dimostrato che l'ambiente del volo spaziale può intensificare le proprietà che causano malattie o la virulenza di organismi patogeni come la Salmonella in modi che non sono stati osservati quando lo stesso organismo è stato coltivato in condizioni convenzionali in laboratorio.

Gli studi hanno fornito indizi sui meccanismi alla base dell'accresciuta virulenza e su come potrebbe essere domata o superata in astuzia. Però, questi studi sono stati fatti quando solo la Salmonella è stata coltivata durante il volo spaziale e le infezioni sono state fatte quando i batteri sono stati restituiti alla Terra.

"Apprezziamo l'opportunità che la NASA ha fornito al nostro team di studiare l'intero processo di infezione durante il volo spaziale, che fornisce nuove informazioni sulla meccanobiologia delle malattie infettive che possono essere utilizzate per proteggere la salute degli astronauti e mitigare i rischi di malattie infettive, Nickerson dice del nuovo studio. "Questo diventa sempre più importante man mano che passiamo a missioni di esplorazione umana più lunghe che sono più lontane dal nostro pianeta".

Sondare un avversario familiare

I ceppi di Salmonella noti per infettare gli esseri umani continuano a devastare la società, come fin dall'antichità, causando circa 1,35 milioni di infezioni di origine alimentare, 26, 500 ricoveri, e 420 morti negli Stati Uniti ogni anno, secondo i Centers for Disease Control. L'agente patogeno entra nel corpo umano attraverso l'ingestione di cibo e acqua contaminati, dove si attacca e invade il tessuto intestinale. Il processo di infezione è una danza dinamica tra ospite e microbo, il suo ritmo dettato dagli stimoli biologici e fisici presenti nell'ambiente del tessuto.

Nonostante decenni di intense ricerche, gli scienziati hanno ancora molto da imparare sulle sottigliezze dell'infezione patogena delle cellule umane. I batteri invasivi come la Salmonella hanno sviluppato sofisticate contromisure alle difese umane, permettendo loro di prosperare in condizioni ostili nello stomaco e nell'intestino umani per sfuggire furtivamente al sistema immunitario, rendendoli agenti di malattia altamente efficaci.

Il problema è di particolare interesse medico per gli astronauti durante le missioni spaziali. Il loro sistema immunitario e la funzione gastrointestinale sono alterati dai rigori dei viaggi spaziali, mentre gli effetti della bassa gravità e di altre variabili dell'ambiente del volo spaziale possono intensificare le proprietà che causano malattie dei microbi che fanno l'autostop, come Salmonella. Questa combinazione di fattori pone rischi unici per i viaggiatori spaziali che lavorano a centinaia di miglia sopra la terra, molto lontani dagli ospedali e dalle cure mediche appropriate.

Con l'avanzare della tecnologia, si prevede che i viaggi spaziali diventeranno più frequenti, per l'esplorazione dello spazio, ricerca nelle scienze della vita, e anche come attività di svago (per chi se lo può permettere). Ulteriore, missioni estese con equipaggi umani sono all'orizzonte per la NASA e forse per società di viaggi spaziali come SpaceX, compresi i viaggi sulla Luna e su Marte. L'incapacità di tenere a bada le infezioni batteriche potrebbe avere conseguenze disastrose.

Nascondi e segui

Nello studio attuale, cellule epiteliali intestinali umane, il bersaglio principale per i batteri invasivi della Salmonella, sono stati infettati da Salmonella durante il volo spaziale. I ricercatori erano desiderosi di esaminare come l'impostazione del volo spaziale influisse sulla trascrizione del DNA umano e batterico in RNA, così come l'espressione della suite risultante di proteine ​​umane prodotte dal codice dell'RNA, prodotti di un processo noto come traduzione.

La ricerca ha coinvolto l'attento esame dei profili trascrizionali sia della Salmonella patogena che delle cellule umane che attaccano, così come i profili di espressione proteica delle cellule umane per misurare gli effetti dell'ambiente del volo spaziale sulla dinamica ospite-patogeno.

Per realizzare questo, i ricercatori hanno utilizzato un metodo rivoluzionario noto come dual RNA-Seq, che ha applicato la tecnologia di sequenziamento profondo per consentire la valutazione del comportamento dell'ospite e del patogeno in condizioni di microgravità durante il processo di infezione e ha consentito un confronto con i precedenti esperimenti del team condotti a bordo dello Space Shuttle.

I dati dell'ospite e del patogeno recuperati dagli esperimenti di volo spaziale sono stati confrontati con quelli ottenuti quando le cellule sono state coltivate sulla terra in condizioni hardware e di coltura identiche (ad es. media, temperatura).

Terra e cielo

Studi precedenti di Nickerson e dei suoi colleghi hanno dimostrato che le colture analoghe di Salmonella dei voli spaziali a terra hanno mostrato cambiamenti globali nella loro espressione trascrizionale e proteomica (proteina), maggiore virulenza, e una migliore resistenza allo stress, risultati simili a quelli prodotti durante i loro esperimenti sulle missioni dello Space Shuttle STS-115 e STS-123.

Però, questi precedenti studi sui voli spaziali sono stati condotti quando solo la Salmonella è stata coltivata durante il volo spaziale e le infezioni sono state eseguite quando i batteri sono stati restituiti alla Terra.

In contrasto, il nuovo studio esplora per la prima volta, una co-coltura di cellule umane e agenti patogeni durante il volo spaziale, fornendo una finestra unica nel processo di infezione. L'esperimento, chiamato STL-IMMUNE, faceva parte del carico utile Space Tissue Loss trasportato a bordo della STS-131, una delle ultime quattro missioni dello Space Shuttle prima del suo ritiro.

Le cellule epiteliali intestinali umane sono state lanciate nello spazio (o mantenute in un laboratorio presso il Kennedy Space Center per i controlli a terra) in sistemi di coltura tissutale tridimensionali (3-D) chiamati bioreattori a fibra cava. I bioreattori a fibra cava contenevano ciascuno centinaia di minuscoli, fibre porose simili a paglia ricoperte di collagene su cui le cellule intestinali si sono attaccate e sono cresciute. Questi bioreattori sono stati mantenuti nel modulo di coltura cellulare, un sistema hardware automatizzato che pompava caldo, mezzo di coltura cellulare ossigenato attraverso le minuscole fibre per mantenere le cellule sane e in crescita fino a quando non erano pronte per l'infezione da Salmonella.

Una volta in orbita, gli astronauti a bordo della STS-131 hanno attivato l'hardware. Undici giorni dopo, Le cellule di S. Typhimurium sono state iniettate automaticamente in un sottoinsieme dei bioreattori a fibra cava, dove hanno incontrato il loro obiettivo, uno strato di cellule epiteliali umane.

I profili RNA-Seq e proteomici hanno mostrato differenze significative tra le colture epiteliali intestinali non infette nello spazio rispetto a quelle sulla terra. Questi cambiamenti hanno coinvolto importanti proteine ​​importanti per la struttura cellulare e geni importanti per il mantenimento della barriera epiteliale intestinale, differenziazione cellulare, proliferazione, guarigione delle ferite e cancro. In base ai loro profili, le cellule non infette esposte al volo spaziale possono mostrare una ridotta capacità di proliferazione, rispetto alle culture di controllo a terra.

Infezioni lontano da casa

Le cellule epiteliali intestinali umane agiscono come sentinelle critiche della funzione immunitaria innata. I risultati dell'esperimento hanno mostrato che il volo spaziale può causare cambiamenti globali al trascrittoma e al proteoma delle cellule epiteliali umane, sia infetti che non infetti.

Durante il volo spaziale, 27 trascritti di RNA sono stati alterati in modo univoco nelle cellule intestinali in risposta all'infezione, stabilendo ancora una volta l'influenza unica dell'ambiente del volo spaziale sull'interazione ospite-patogeno. I ricercatori hanno anche osservato 35 trascrizioni che sono state comunemente alterate sia nelle cellule spaziali che in quelle terrestri, con 28 geni regolati nella stessa direzione. Questi risultati hanno confermato che almeno un sottoinsieme delle biofirme di infezione note sulla Terra si verificano anche durante il volo spaziale. Rispetto ai controlli non infetti, le cellule infette in entrambi gli ambienti hanno mostrato una regolazione genica associata all'infiammazione, un effetto caratteristico dell'infezione da Salmonella.

Le trascrizioni batteriche sono state anche rilevate simultaneamente all'interno delle cellule ospiti infette e hanno indicato la sovraregolazione dei geni associati alla patogenesi, compresa la resistenza agli antibiotici e le risposte allo stress.

I risultati aiutano a spianare la strada a maggiori sforzi per salvaguardare la salute degli astronauti, magari attraverso l'uso di integratori alimentari o microbi probiotici. Studi in corso di questo tipo, da eseguire a bordo della Stazione Spaziale Internazionale e di altri habitat spaziali, dovrebbe chiarire ulteriormente i molti misteri associati alle infezioni patogene e l'ampia gamma di malattie umane di cui sono responsabili.

"Prima di iniziare questo studio, avevamo dati esaurienti che mostravano che il volo spaziale ha completamente riprogrammato la Salmonella a tutti i livelli per diventare un agente patogeno migliore, " dice Barrila. "Separatamente, sapevamo che il volo spaziale ha avuto un impatto anche su diverse importanti caratteristiche strutturali e funzionali delle cellule umane che la Salmonella normalmente sfrutta durante le infezioni sulla terra. Però, non c'erano dati che mostrassero cosa sarebbe successo quando entrambi i tipi di cellule si fossero incontrati nell'ambiente di microgravità durante l'infezione. Il nostro studio indica che ci sono alcuni cambiamenti piuttosto grandi nel panorama molecolare dell'epitelio intestinale in risposta al volo spaziale, e questo panorama globale sembra essere ulteriormente alterato durante l'infezione da Salmonella".