Un nuovo studio della Northwestern University ha scoperto che il volo spaziale, sia a bordo di una navetta spaziale che della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), ha un effetto coerente sul microbioma intestinale

I ricercatori della Northwestern hanno sviluppato un nuovo strumento analitico per confrontare i dati del microbioma dei topi già nel 2011. Chiamato STARMAPS (Test di somiglianza per modelli di abbondanza di microbioma riproducibili e concordanti), lo strumento indica che il volo spaziale provoca uno specifico, cambiamento consistente sull'abbondanza, rapporti e diversità dei batteri nell'intestino.

Forse più sorprendentemente, il team ha anche utilizzato STARMAPS per confrontare i dati sui voli spaziali con i dati raccolti da studi sulla Terra sugli effetti delle radiazioni sull'intestino. Hanno effettivamente escluso le radiazioni spaziali come causa dei cambiamenti nel microbioma durante il volo spaziale.

"Le radiazioni hanno sicuramente un effetto sul microbioma intestinale, " ha detto Martha Vitaterna di Northwestern, che ha condotto lo studio. "Ma quegli effetti non assomigliano a quelli che abbiamo visto nel volo spaziale".

Lo studio pubblicato la scorsa settimana sulla rivista Microbiome. Vitaterna è professore di neurobiologia presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern. Peng Jiang, professore assistente di ricerca in neurobiologia a Weinberg, è stato il primo autore del giornale.

Vitaterna e il collaboratore di lunga data Fred W. Turek, anche dal nordovest, ha guidato la sezione sul microbioma del Twin Study della NASA, che ha confrontato i cambiamenti fisiologici dell'astronauta Scott Kelly con il suo gemello Mark. Sebbene Turek e Vitaterna abbiano scoperto che un anno nello spazio ha influito sul microbioma intestinale dell'astronauta Scott Kelly, non erano sufficienti dati per trarre conclusioni generali sugli effetti del volo spaziale sul corpo umano.

"Se invieremo umani su Marte o in lunghe missioni sulla luna, è essenziale comprendere gli effetti dell'esposizione a lungo termine dell'ambiente spaziale su di noi e sui trilioni di batteri che viaggiano con noi, " disse Turek, il professore di neurobiologia Charles ed Emma Morrison a Weinberg, che ha co-autore del documento. "Mentre abbiamo studiato gli effetti di un anno nello spazio sul microbiota di Scott Kelly, abbiamo bisogno di usare topi in numero maggiore per stabilire gli effetti dello spazio".

La necessità produce strumenti

La NASA ha studiato per molti anni gli effetti della microgravità sui processi biologici dei topi. Nell'autunno 2014, ha consegnato il suo primo gruppo di topi all'ISS per un soggiorno di 37 giorni. Da quell'esperimento (chiamato Rodent Research-1), La NASA ha successivamente consegnato altri sette gruppi di topi alla ISS, compreso l'esperimento Rodent Research-7 del team della Northwestern.

Vitaterna e Jiang hanno iniziato con campioni di Rodent Research-1, che includeva il gruppo di volo spaziale più un gruppo di controllo a terra abbinato, un gruppo di riferimento e un gruppo di laboratorio che è stato ospitato in una struttura per topi convenzionale per la stessa durata del viaggio. Hanno anche esaminato i campioni di topo dell'ultima missione dello space shuttle americano, ST 135, che ha lanciato nel 2011.

I ricercatori hanno faticato a sgranocchiare tutti i dati a causa della loro mole. Ci sono centinaia di diverse specie batteriche nell'intestino, e individui diversi possono avere comunità batteriche intestinali molto diverse all'inizio di un esperimento. Ciò rende difficile rilevare quando c'è una risposta coerente.

"Non c'era un approccio statistico per fare questo lavoro, " disse Vitaterna. "Gli strumenti non esistevano, così li abbiamo inventati. È un classico caso di come la necessità sia la madre dell'invenzione".

"Sapevamo che il volo spaziale colpisce il microbioma, quindi avremmo potuto guardare questo aneddoto, " Jiang ha detto. "Ma ci sono un sacco di limitazioni a questo. Avevamo bisogno di una più completa, vista di alto livello. Quindi potremmo dire che i cambiamenti del microbioma sono comparabili tra più voli spaziali".

Mappare il microbioma

STARMAPS fornisce un nuovo metodo per inserire tutti i dati di diversi esperimenti nello stesso spazio multidimensionale. Quindi gli utenti possono vedere più facilmente i modelli in cui diversi tipi di batteri diventano più o meno abbondanti in condizioni diverse.

Utilizzando questo strumento, i ricercatori della Northwestern hanno subito notato che i microbiomi nei topi di volo spaziale e di controllo a terra avevano un aspetto molto diverso dagli altri due gruppi. Il gruppo di controllo a terra vive in un simulatore ambientale che corrisponde direttamente agli habitat dei voli spaziali. La composizione del gas, la temperatura e la dieta sono esattamente le stesse.

"Abbiamo scoperto che l'habitat ha un grande impatto, " Disse Vitaterna.

Sebbene i ricercatori non abbiano utilizzato STARMAPS per analizzare i campioni raccolti dall'astronauta Scott Kelly durante il suo anno nello spazio, hanno notato che i suoi dati si adattano allo stesso modo, modello coerente causato dal volo spaziale.

"Alcuni dei cambiamenti di alto livello sono simili, " Jiang ha detto. "Abbiamo visto i rapporti degli stessi principali tipi di batteri cambiare nella stessa direzione e un leggero aumento della diversità complessiva. Questo è coerente".

Escludere le radiazioni

Ma, ancora, i microbiomi dei topi del volo spaziale e del controllo a terra erano piuttosto diversi l'uno dall'altro. Ciò dimostra che c'è un effetto distinto dal volo spaziale. Per scoprire cosa potrebbe causare quell'effetto, i ricercatori hanno scavato più a fondo.

Una possibilità era che l'esposizione alle radiazioni nello spazio potesse causare lo spostamento del microbioma. Jiang ha trovato diversi studi sulla Terra sugli effetti delle radiazioni sul microbioma del topo e li ha analizzati con STARMAPS. Hanno scoperto che gli spostamenti del microbioma causati dal volo spaziale rispetto alle radiazioni non corrispondevano.

Vitaterna e Jiang credono che la microgravità possa causare l'effetto del volo spaziale, ma sono d'accordo che c'è più lavoro da fare. Attualmente stanno elaborando campioni di Rodent Research-7 e sperano che i dati contengano più indizi. Vitaterna ha affermato che la diversità e i rapporti dei batteri intestinali durante il volo spaziale sembrano più simili allo stress.

"Comprendere i fattori che possono ridurre questo tipo di cambiamento del microbioma sarebbe un'informazione utile per compensare gli effetti dello stress sulla Terra, "Ha detto. "Capire quali fattori genetici contribuiscono alle differenze nei ceppi batterici sarà utile per sviluppare contromisure in grado di proteggere il tuo microbioma durante i periodi di stress".