NASA heeft grote plannen voor de toekomst van de ruimtevaart. De voorstellen van het ruimteagentschap om langdurige, bemande missies naar de maan en uiteindelijk landastronauten op Mars te sturen, zullen aanzienlijke vooruitgang vereisen in hardware voor raketten en ruimtevaart. Maar samen met nieuwe technologie worstelen wetenschappers met een andere cruciale vraag: kan het menselijk lichaam zichzelf gedurende zoveel tijd in de ruimte handhaven? Een verkennende Mars-missie kan twee of drie jaar duren, terwijl de meeste ruimtevaartexpedities tot nu toe zes maanden of minder hebben geduurd. Verlengde missies buiten de baan van de aarde kunnen leiden tot ingrijpende en potentieel gevaarlijke, biologische effecten in de lichamen van astronauten.
Om de invloed van microzwaartekracht, straling en opsluiting in langdurige ruimtevluchten te bestuderen, selecteerde NASA tweelingen Scott en Mark Kelly voor een unieke missie. De twee identieke tweelingen hebben allebei gediend als NASA-testpiloten en astronauten, en Scott werd gekozen voor een jaarlange missie naar het International Space Station (ISS), waardoor zijn broer - een genetische kopie van zichzelf - op aarde achterbleef. Onderzoekers gebruikten de aardgebonden Mark als een soort controleonderwerp om te vergelijken met eventuele veranderingen in Scott tijdens zijn jaar in de ruimte, die duurde van 27 maart 2015 tot 1 maart 2016.
Tien teams van wetenschappers bestudeerden verschillende aspecten van de gezondheid en biologie van de tweeling, van genexpressie tot darmbacteriën tot cognitie. Vandaag hebben de teams een deel van hun verzamelde onderzoek vrijgegeven in een interdisciplinair onderzoek, dat op 12 april zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Grafische illustratie van het pad dat het individuele Twins Study-onderzoek aflegt van onderzoek tot integratie, van een samenvatting tot verschillende begeleidende papers. (NASA) Met meer dan 80 auteurs brengt het onderzoek een breed scala aan gegevens samen en analyseert het, verzameld van beide tweelingen in de loop van de jaarlange missie plus de maanden ervoor en erna. De resultaten zijn uitgebreid, maar laten vooral zien dat, op enkele opvallende uitzonderingen na, het lichaam van Scott na 340 dagen in stressvolle ruimtecondities vrij snel terugkaatste. Het onderzoek creëert 'een geïntegreerd portret van moleculaire, fysiologische en gedragsaanpassingen en uitdagingen voor het menselijk lichaam tijdens langdurige ruimtevluchten', schrijven de auteurs.
Een kwestie van veroudering
Een van de tien teams, onder leiding van Susan Bailey, een professor in straling en kankerbiologie aan de Colorado State University, concentreerde zich op telomeren, de 'caps' die de uiteinden van DNA-strengen beschermen. Op aarde raken deze telomeren uitgeput in de loop van het leven van een persoon terwijl elke ronde van DNA-replicatie hen verslijt.
Toen het team van Bailey de telomeren in de witte bloedcellen van Scott analyseerde, ontdekten ze dat de gemiddelde telomeerlengte in deze cellen tijdens de missie zelfs toenam. "Het was precies het tegenovergestelde van wat we ons hadden voorgesteld", zegt Bailey. "We stelden voor dat, in feite, vanwege alle echt unieke spanningen en blootstellingen aan dingen als microzwaartekracht, ruimtestraling en isolatie ... [het] echt leek alsof ze telomeerverlies in de ruimte zouden versnellen."
Scott Kelly aan boord van het internationale ruimtestation ISS tijdens zijn jaar in de ruimte. (NASA) Toen Scott weer op de aarde kwam, merkte het team van Bailey op dat zijn gemiddelde telomeerlengte afnam tot ongeveer het niveau van vóór de vlucht. In de maanden na de vlucht ging echter een groter aantal telomeren verloren of werd het ingekort. Dit kan een zorgwekkende bevinding zijn, omdat verkorting en verlies van telomeren wordt geassocieerd met veroudering en vatbaarheid voor ouderdomsziekten, waaronder cardiovasculaire problemen en kanker.
De onderzoekers weten nog niet precies hoe of waarom deze telomeerveranderingen hebben plaatsgevonden. Het team hoopte de activiteit van telomerase te analyseren, een enzym dat telomeren verlengt maar in de meeste volwassen lichaamscellen wordt uitgeschakeld, om te zien of het op de een of andere manier werd geactiveerd terwijl Scott aan het vliegen was. Het materiaal dat ze nodig hadden, was echter 'verloren in de ruimte', zegt Bailey. De bloedmonsters werden teruggestuurd naar de aarde op een Soyuz-ruimtevaartuig, maar telomerase-activiteit was dood bij aankomst, mogelijk als gevolg van temperatuurveranderingen tijdens terugkeer in de atmosfeer van de aarde.
Bailey zegt dat het belangrijk is om meer te leren over het mechanisme achter deze veranderingen tijdens en na de ruimtevaart, niet alleen omwille van astronauten, maar ook omdat een grondiger begrip van veroudering waardevol zou zijn voor de gezondheid van 'aardbewoners'.
Genexpressie in de ruimte
Onderzoekers hebben ook het genoom van Scott bestudeerd om te zien of de genexpressie tijdens de vlucht is veranderd, zoals dit in stressvolle situaties vaak gebeurt. Een team onder leiding van Chris Mason, een geneticus bij Weill Cornell Medicine, bestudeerde DNA- en RNA-modificaties die zouden wijzen op epigenetische aanpassing. Ze zagen enkele veranderingen in hoe genen tot expressie werden gebracht en deze variaties versnelden in de laatste zes maanden van de missie. Meer dan zes keer zoveel verschillen in genexpressies kwamen in de tweede helft voor in vergelijking met het begin van de vlucht.
De bevindingen waren enigszins verrassend, zegt Mason, omdat hij had verwacht dat deze verschillen zouden vertragen of stoppen na een eerste periode van aanpassing aan de nieuwe omgeving. De aanhoudende en toenemende genetische transformaties laten zien dat het lichaam gedurende lange tijd in de ruimte blijft veranderen.
Andrew Feinberg, professor en medisch onderzoeker aan de Johns Hopkins University, en zijn team richtten zich op methylgroepen - chemische markers die meestal veranderingen in genexpressie signaleren - en ontdekten dat de hoeveelheid epigenetische verandering vergelijkbaar was voor de twee broers. Ondanks enkele kleine verschillen gedroeg het genoom van Scott zich op een manier die 'niet zorgelijk' was, zegt Feinberg.
Na het einde van de missie keerde 90 procent van de gemodificeerde genexpressies terug naar hun basislijn vóór de vlucht - een goed teken dat het lichaam na een lange missie terug kan stuiteren, zegt Mason. De andere 10 procent, die meer dan 800 genen omvatte, waaronder genen die verband hielden met immuunrespons en DNA-herstel, werden zes maanden na Scott's terugkeer nog steeds anders tot expressie gebracht. "Het lijkt er tot op zekere hoogte op dat voldoende cellen in het lichaam een herinnering hebben aan wat er is gebeurd dat er nog steeds enige aanpassing en herkalibratie is om terug op aarde te zijn, " zegt Mason.
De invloed van Spaceflight op de geest
In een potentieel betreffende resultaat ontdekte een team dat cognitie bestudeerde dat de prestaties van Scott op een reeks cognitieve tests afnamen in de periode na de vlucht. Mathias Basner, professor psychiatrie aan de Universiteit van Pennsylvania, en zijn team ontwierpen een gespecialiseerde cognitieve testbatterij voor NASA - een reeks van 10 geautomatiseerde taken om verschillende aspecten van het denken van astronauten te meten, waaronder emotionele herkenning, het nemen van risico's en aandacht.
Hoewel Scott's maatregelen tijdens de vlucht stabiel waren, daalde zijn "cognitieve efficiëntie" of zijn snelheid en nauwkeurigheid bij het voltooien van de testbatterij zodra hij terug op aarde kwam. De daling bleef hangen gedurende de zes maanden na zijn terugkeer.
Hoewel Scott in de loop van de jaarlange ruimtevlucht geen alarmerende cognitieve effecten vertoonde, leek hij na het terugkeren naar de omgeving van de aarde veel meer problemen met de tests te hebben in vergelijking met zijn aanpassingsperiode na zijn vorige zes maanden durende missie van oktober 2010 tot Maart 2011. De cognitieve resultaten kunnen een 'rode vlag' zijn bij het plannen van zoiets als een missie naar Mars, zegt Basner, waarin astronauten na de landing complexe taken zouden moeten uitvoeren.
NASA-astronaut Scott Kelly (links), vluchtingenieur Expedition 43/44 en commandant Expedition 45/46; en Russische kosmonaut Mikhail Kornienko, vluchtingenieur van expeditie 43-46 brachten beide 340 cumulatieve dagen in de ruimte door. (NASA / Bill Stafford) "De ruimte is een zeer vijandige omgeving", zegt Basner. "We willen altijd dat astronauten op hun best presteren, in de zin dat kleine fouten zich kunnen vertalen in catastrofale fouten - in het ergste geval tot mislukking van missies en verlies van apparatuur en van levens van astronauten."
Hoewel het waarschijnlijk een hoog niveau van aantasting zou vergen om de operaties onder leiding van getrainde astronauten te beïnvloeden, moeten deze cognitieve veranderingen worden gemonitord in toekomstige missies, zegt Basner, vooral omdat mensen een slecht vermogen hebben om hun eigen cognitieve status te beoordelen en de neiging hebben om hun huidige voorwaarden als de "nieuwe normaal", zelfs als ze eigenlijk slechter zijn dan voorheen.
Het lichaam van de Space Explorer
In de rest van het lichaam van Scott zagen onderzoekers andere veranderingen in verband met ruimtevaart. In een studie van het microbioom, de gemeenschap van bacteriën in de menselijke darm, ontdekte een team onder leiding van onderzoekers van de Northwestern University dat de verhoudingen van verschillende soorten bacteriën veranderden tijdens Scotts jaar in de ruimte. De algehele diversiteit van de bacteriën nam echter niet af, wat een goed teken is dat het microbioom gezond bleef.
Een team onder leiding van Brinda Rana, een onderzoeker in de gezondheidswetenschappen aan de Universiteit van Californië in San Diego, ontdekte dat verschillende eiwitten ook veranderden tijdens de ruimtevlucht. Urinemonsters uit Scott's tijd aan boord van het ISS bevatten veel collageen, een structureel eiwit. Het bekijken van deze maat samen met fysiologische veranderingen - zoals die waargenomen in Scott's oogbollen en vaatstelsel - kan een teken zijn dat het lichaam aan het herstructureren was, zegt Rana. Onderzoekers zagen ook verhoogde niveaus van aquaporine 2, een eiwit dat de neiging heeft uitdroging te veroorzaken.
De overgrote meerderheid van de veranderingen die door Rana's team en anderen werden waargenomen, verdwenen echter zodra Scott weer op aarde aankwam. "Het laat gewoon zien hoe veerkrachtig het lichaam is en hoe adaptief het menselijk lichaam is aan verschillende omgevingen, " zegt Rana. "Een jaar in de ruimte - het lichaam kan dat aan."
Omdat de steekproefomvang van NASA's Twins Study zo klein is als maar kan, benadrukten de onderzoekers dat ze hun resultaten niet kunnen generaliseren, noch een direct causaal verband tussen ruimtevaart en hun waarnemingen konden aantonen. Toch geeft hun werk, ondanks de inherent beperkte reikwijdte, NASA enkele aanwijzingen over waar ze biologische veranderingen kunnen zien tijdens ruimtevaart - een "waardevolle routekaart, " zegt de studie, over de mogelijke risico's van langere reizen naar ons zonnestelsel.
Het werken aan deze studie was als een vroege cartograaf, zegt Feinberg. Hij en andere onderzoekers probeerden in grote lijnen te begrijpen welke veranderingen in het lichaam optreden tijdens ruimtevlucht, waardoor een algemene vorm werd gecreëerd en ruimte werd gelaten voor toekomstig onderzoek om de details in te vullen.
NASA heeft al plannen om deze kaart van het menselijk lichaam te blijven invullen. Bailey en andere onderzoekers zullen doorgaan met een ander langetermijnproject voor het monitoren van 'tien astronauten op missies van een jaar, tien op missies van zes maanden en tien op reizen van twee tot drie maanden tegelijk. Gezondheidsgegevens zullen worden vergeleken met mensen op de grond die gedurende dezelfde perioden geïsoleerd zijn, ”aldus een persbericht van de Colorado State University. Anderen wetenschappers gaan vooruit met analoge projecten op aarde, waaronder Rana, die maatregelen bestudeert van personen met langdurige bedsteunen die omstandigheden zonder zwaartekracht nabootsen.
Hoewel er nog veel werk te doen is, heeft NASA nu een kader voor het soort multidisciplinaire samenwerking dat het waarschijnlijk in toekomstige studies zal voortzetten, zegt Basner. Wat betreft Kelly Kelly, hij is bereid om er voor de lange termijn in te blijven.
"Soms worden de vragen die de wetenschap stelt, beantwoord door andere vragen, en ik zal de rest van mijn leven één keer per jaar tests laten doen, " schreef hij in zijn boek 2017, Endurance: My Year in Space, A Lifetime of Discovery . “Dit stoort me niet bijzonder. Het is de moeite waard om bij te dragen aan het bevorderen van menselijke kennis. ”
