Astronot menghadapi banyak tantangan terhadap kesehatan mereka, karena kondisi luar angkasa yang luar biasa. Diantaranya adalah berbagai mikroba infeksius yang dapat menyerang sistem kekebalan mereka yang tertekan.
Sekarang, dalam studi pertama dari jenisnya, Cheryl Nickerson, penulis utama Jennifer Barrila dan rekan mereka menggambarkan infeksi sel manusia oleh patogen usus Salmonella Typhimurium selama penerbangan luar angkasa. Mereka menunjukkan bagaimana lingkungan gayaberat mikro dalam penerbangan luar angkasa mengubah profil molekuler sel usus manusia dan bagaimana pola ekspresi ini selanjutnya diubah sebagai respons terhadap infeksi. Pada penelitian pertama lainnya, para peneliti juga dapat mendeteksi perubahan molekuler pada patogen bakteri saat berada di dalam sel inang yang terinfeksi.
Hasilnya menawarkan wawasan baru tentang proses infeksi dan dapat mengarah pada metode baru untuk memerangi patogen invasif selama penerbangan luar angkasa dan dalam kondisi yang kurang eksotis di bumi ini.
Hasil upaya mereka muncul dalam edisi terbaru jurnal Nature Publishing Group npj Microgravity .
Kontrol misi
Dalam studi tersebut, sel epitel usus manusia dibiakkan di atas pesawat ulang-alik misi STS-131, di mana sebagian kultur terinfeksi dengan Salmonella atau tetap sebagai kontrol yang tidak terinfeksi.
Penelitian baru mengungkap perubahan global dalam RNA dan ekspresi protein dalam sel manusia dan ekspresi RNA dalam sel bakteri dibandingkan dengan sampel kontrol berbasis darat dan memperkuat temuan tim sebelumnya bahwa penerbangan luar angkasa dapat meningkatkan potensi penyakit menular.
Nickerson dan Barrila, peneliti di Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, bersama dengan rekan-rekan mereka, telah menggunakan penerbangan luar angkasa sebagai alat eksperimental unik untuk mempelajari bagaimana perubahan gaya fisik, seperti yang terkait dengan lingkungan gayaberat mikro, dapat mengubah respons dari baik inang maupun patogen selama infeksi. Nickerson juga seorang profesor di School of Life Sciences di ASU.
Dalam rangkaian studi penerbangan antariksa perintis sebelumnya dan penerbangan antariksa berbasis darat, tim Nickerson menunjukkan bahwa lingkungan penerbangan luar angkasa dapat meningkatkan sifat penyebab penyakit atau virulensi organisme patogen seperti Salmonella dengan cara yang tidak diamati ketika organisme yang sama dibudidayakan dengan cara konvensional. kondisi di laboratorium.
Studi tersebut memberikan petunjuk tentang mekanisme yang mendasari peningkatan virulensi dan bagaimana hal itu dapat dijinakkan atau diperdaya. Namun, penelitian ini dilakukan ketika hanya Salmonella yang tumbuh di luar angkasa dan infeksi dilakukan ketika bakteri dikembalikan ke Bumi.
“Kami menghargai kesempatan yang diberikan NASA kepada tim kami untuk mempelajari seluruh proses infeksi dalam penerbangan luar angkasa, yang memberikan wawasan baru tentang mekanobiologi penyakit menular yang dapat digunakan untuk melindungi kesehatan astronot dan mengurangi risiko penyakit menular,” kata Nickerson tentang yang baru. belajar. “Ini menjadi semakin penting saat kita beralih ke misi eksplorasi manusia yang lebih jauh yang jauh dari planet kita.”
Menguji musuh yang sudah dikenal
Strain Salmonella yang diketahui menginfeksi manusia terus merusak masyarakat, seperti yang terjadi sejak jaman dahulu, menyebabkan sekitar 1,35 juta infeksi bawaan makanan, 26.500 rawat inap, dan 420 kematian di Amerika Serikat setiap tahun, menurut Pusat Pengendalian Penyakit. Patogen memasuki tubuh manusia melalui konsumsi makanan dan air yang terkontaminasi, di mana ia menempel dan menyerang jaringan usus. Proses infeksi adalah tarian dinamis antara inang dan mikroba, ritmenya ditentukan oleh isyarat biologis dan fisik yang ada di lingkungan jaringan.
Terlepas dari penelitian intensif selama beberapa dekade, para ilmuwan masih harus banyak belajar tentang seluk-beluk infeksi patogen sel manusia. Bakteri invasif seperti Salmonella telah mengembangkan tindakan pencegahan canggih untuk pertahanan manusia, memungkinkan mereka berkembang dalam kondisi yang tidak bersahabat di perut dan usus manusia untuk secara diam-diam menghindari sistem kekebalan, menjadikannya agen penyakit yang sangat efektif.
Masalah tersebut menjadi perhatian medis khusus bagi para astronot selama misi luar angkasa. Sistem kekebalan dan fungsi gastrointestinal mereka diubah oleh kerasnya perjalanan luar angkasa, sementara efek gravitasi rendah dan variabel lain dari lingkungan penerbangan luar angkasa dapat meningkatkan sifat penyebab penyakit dari mikroba yang menumpang, seperti Salmonella. Kombinasi faktor-faktor ini menimbulkan risiko unik bagi pelancong luar angkasa yang bekerja ratusan mil di atas bumi – jauh dari rumah sakit dan perawatan medis yang sesuai.
Seiring kemajuan teknologi, perjalanan luar angkasa diharapkan akan semakin sering – untuk eksplorasi luar angkasa, penelitian ilmu hayati, dan bahkan sebagai aktivitas rekreasi (bagi mereka yang mampu). Selanjutnya, misi tambahan dengan awak manusia berada di cakrawala untuk NASA dan mungkin perusahaan pelayaran luar angkasa seperti SpaceX, termasuk perjalanan ke Bulan dan Mars. Kegagalan untuk mencegah infeksi bakteri dapat menimbulkan konsekuensi yang mengerikan.
Hide dan Seq
Dalam studi saat ini, sel epitel usus manusia, target utama bakteri Salmonella invasif, terinfeksi Salmonella selama penerbangan luar angkasa. Para peneliti tertarik untuk memeriksa bagaimana pengaturan penerbangan luar angkasa mempengaruhi transkripsi DNA manusia dan bakteri menjadi RNA, serta ekspresi rangkaian protein manusia yang dihasilkan dari kode RNA, produk dari proses yang dikenal sebagai terjemahan.
Penelitian ini melibatkan pemeriksaan yang cermat terhadap profil transkripsi dari Salmonella patogen dan sel manusia yang mereka serang, serta profil ekspresi protein sel manusia untuk mengukur efek lingkungan penerbangan luar angkasa pada dinamika patogen inang.
Untuk mencapai hal ini, para peneliti menggunakan metode revolusioner yang dikenal sebagai RNA-Seq ganda, yang menerapkan teknologi sekuensing dalam untuk memungkinkan evaluasi mereka terhadap perilaku inang dan patogen di bawah gayaberat mikro selama proses infeksi dan memungkinkan perbandingan dengan eksperimen tim sebelumnya yang dilakukan di pesawat ulang-alik. .
Data inang dan patogen yang diperoleh dari eksperimen penerbangan luar angkasa dibandingkan dengan yang diperoleh saat sel ditanam di bumi dalam kondisi perangkat keras dan kultur yang identik (misalnya, media, suhu).
Bumi dan langit
Studi sebelumnya oleh Nickerson dan rekannya menunjukkan bahwa budaya analog penerbangan luar angkasa berbasis darat dari Salmonella menunjukkan perubahan global dalam ekspresi transkripsi dan proteomik (protein), peningkatan virulensi, dan peningkatan ketahanan terhadap stres – temuan serupa dengan yang dihasilkan selama percobaan mereka di STS- 115 dan misi Pesawat Ulang-Alik STS-123.
Namun, studi penerbangan luar angkasa sebelumnya dilakukan ketika hanya Salmonella yang tumbuh dalam penerbangan luar angkasa dan infeksi terjadi ketika bakteri dikembalikan ke Bumi.
Sebaliknya, studi baru mengeksplorasi untuk pertama kalinya, kultur bersama sel manusia dan patogen selama penerbangan luar angkasa, memberikan jendela unik ke dalam proses infeksi. Eksperimen tersebut, yang disebut STL-IMMUNE, adalah bagian dari muatan Space Tissue Loss yang dibawa di atas STS-131, salah satu dari empat misi terakhir Pesawat Ulang Alik sebelum pensiun.
Sel epitel usus manusia diluncurkan ke luar angkasa (atau dipertahankan di laboratorium di Kennedy Space Center untuk kontrol darat) dalam sistem kultur jaringan tiga dimensi (3-D) yang disebut bioreaktor serat berongga. Masing-masing bioreaktor serat berlubang berisi ratusan serat kecil seperti jerami berpori yang dilapisi dengan kolagen tempat sel-sel usus menempel dan tumbuh. Bioreaktor ini dipelihara dalam Modul Kultur Sel, sistem perangkat keras otomatis yang memompa media kultur sel beroksigen yang hangat melalui serat kecil untuk menjaga sel tetap sehat dan berkembang sampai siap untuk infeksi Salmonella.
Setelah berada di orbit, astronot di atas STS-131 mengaktifkan perangkat keras tersebut. Sebelas hari kemudian, sel S. Typhimurium secara otomatis disuntikkan ke dalam subset dari bioreaktor serat berongga, di mana mereka menemukan targetnya – lapisan sel epitel manusia.
Profil RNA-Seq dan proteomik menunjukkan perbedaan yang signifikan antara kultur epitel usus yang tidak terinfeksi di luar angkasa vs di bumi. Perubahan ini melibatkan protein utama yang penting untuk struktur sel serta gen yang penting untuk menjaga penghalang epitel usus, diferensiasi sel, proliferasi, penyembuhan luka, dan kanker. Berdasarkan profil mereka, sel-sel yang tidak terinfeksi yang terpapar penerbangan luar angkasa mungkin menunjukkan penurunan kapasitas untuk berkembang biak, relatif terhadap kultur kontrol darat.
Infeksi jauh dari rumah
Sel epitel usus manusia bertindak sebagai penjaga penting fungsi kekebalan bawaan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penerbangan luar angkasa dapat menyebabkan perubahan global pada transkriptom dan proteom sel epitel manusia, baik yang terinfeksi maupun yang tidak.
Selama penerbangan luar angkasa, 27 transkrip RNA diubah secara unik dalam sel usus sebagai respons terhadap infeksi, sekali lagi menetapkan pengaruh unik lingkungan penerbangan luar angkasa pada interaksi patogen-host. Para peneliti juga mengamati 35 transkrip yang biasanya diubah di sel berbasis ruang angkasa dan berbasis tanah, dengan 28 gen diatur ke arah yang sama. Temuan ini menegaskan bahwa setidaknya sebagian dari tanda-tanda biologis infeksi yang diketahui terjadi di Bumi juga terjadi selama penerbangan luar angkasa. Dibandingkan dengan kontrol yang tidak terinfeksi, sel yang terinfeksi di kedua lingkungan menunjukkan regulasi gen yang terkait dengan peradangan, efek khas dari infeksi Salmonella.
Transkrip bakteri juga terdeteksi secara bersamaan di dalam sel inang yang terinfeksi dan menunjukkan peningkatan regulasi gen yang terkait dengan patogenesis, termasuk resistensi antibiotik dan respons stres.
Penemuan ini membantu membuka jalan bagi peningkatan upaya untuk menjaga kesehatan astronot, mungkin melalui penggunaan suplemen nutrisi atau mikroba probiotik. Studi yang sedang berlangsung semacam ini, yang akan dilakukan di Stasiun Luar Angkasa Internasional dan habitat luar angkasa lainnya, harus lebih jauh menjelaskan banyak misteri yang terkait dengan infeksi patogen dan berbagai macam penyakit manusia yang menjadi tanggung jawab mereka.
“Sebelum kami memulai studi ini, kami memiliki data ekstensif yang menunjukkan bahwa penerbangan luar angkasa benar-benar memprogram ulang Salmonella di setiap level untuk menjadi patogen yang lebih baik,” kata Barrila. “Secara terpisah, kami tahu bahwa penerbangan luar angkasa juga memengaruhi beberapa fitur struktural dan fungsional penting dari sel manusia yang biasanya dieksploitasi Salmonella selama infeksi di bumi.
Namun, tidak ada data yang menunjukkan apa yang akan terjadi jika kedua jenis sel bertemu di lingkungan gayaberat mikro selama infeksi. Studi menunjukkan bahwa ada beberapa perubahan yang cukup besar dalam lanskap molekuler epitel usus sebagai respons terhadap penerbangan luar angkasa, dan lanskap global ini tampaknya semakin berubah selama infeksi Salmonella.”
