Os astronautas enfrentam muitos desafios para sua saúde, devido às condições excepcionais do voo espacial. Entre eles está uma variedade de micróbios infecciosos que podem atacar seus sistemas imunológicos suprimidos.

Agora, no primeiro estudo desse tipo, Cheryl Nickerson, a autora principal Jennifer Barrila e seus colegas descrevem a infecção de células humanas pelo patógeno intestinal Salmonella Typhimurium durante o vôo espacial. Eles mostram como o ambiente de microgravidade do voo espacial muda o perfil molecular das células intestinais humanas e como esses padrões de expressão são alterados em resposta à infecção. Em outro primeiro, os pesquisadores também foram capazes de detectar mudanças moleculares no patógeno bacteriano dentro das células hospedeiras infectadas.

Os resultados oferecem novas percepções sobre o processo de infecção e podem levar a novos métodos para combater patógenos invasivos durante voos espaciais e em condições menos exóticas aqui na Terra.

Os resultados de seus esforços aparecem na edição atual da revista Nature Publishing Group microgravidade npj .

Controle da missão

No estudo, células epiteliais intestinais humanas foram cultivadas a bordo da missão STS-131 do ônibus espacial, onde um subconjunto das culturas foi infectado com Salmonella ou permaneceram como controles não infectados.

A nova pesquisa descobriu alterações globais no RNA e na expressão de proteínas em células humanas e na expressão de RNA em células bacterianas em comparação com amostras de controle baseadas no solo e reforça as descobertas anteriores da equipe de que o voo espacial pode aumentar o potencial de doenças infecciosas.

Nickerson e Barrila, pesquisadores do Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, junto com seus colegas, têm usado o voo espacial como uma ferramenta experimental única para estudar como as mudanças nas forças físicas, como aqueles associados ao ambiente de microgravidade, pode alterar as respostas do hospedeiro e do patógeno durante a infecção. Nickerson também é professor da Escola de Ciências da Vida da ASU.

Em uma série anterior de estudos pioneiros de voos espaciais e estudos analógicos de voos espaciais terrestres, A equipe de Nickerson demonstrou que o ambiente do voo espacial pode intensificar as propriedades causadoras de doenças ou virulência de organismos patogênicos como Salmonella de maneiras que não foram observadas quando o mesmo organismo foi cultivado em condições convencionais em laboratório.

Os estudos forneceram pistas sobre os mecanismos subjacentes da virulência elevada e como ela pode ser domesticada ou enganada. Contudo, esses estudos foram feitos quando apenas Salmonella foi cultivada em voos espaciais e as infecções foram feitas quando a bactéria retornou à Terra.

"Agradecemos a oportunidade que a NASA forneceu à nossa equipe de estudar todo o processo de infecção em voos espaciais, que está fornecendo novos insights sobre a mecanobiologia das doenças infecciosas que podem ser usadas para proteger a saúde dos astronautas e mitigar os riscos de doenças infecciosas, "Nickerson diz sobre o novo estudo." Isso se torna cada vez mais importante à medida que fazemos a transição para missões de exploração humana mais longas que estão mais longe de nosso planeta. "

Sondando um adversário familiar

As cepas de Salmonella conhecidas por infectar humanos continuam a devastar a sociedade, como eles têm desde a antiguidade, causando cerca de 1,35 milhão de infecções de origem alimentar, 26, 500 hospitalizações, e 420 mortes nos Estados Unidos a cada ano, de acordo com os Centros de Controle de Doenças. O patógeno entra no corpo humano através da ingestão de água e alimentos contaminados, onde se liga e invade o tecido intestinal. O processo de infecção é uma dança dinâmica entre o hospedeiro e o micróbio, seu ritmo é ditado pelas pistas biológicas e físicas presentes no ambiente do tecido.

Apesar de décadas de intensa pesquisa, os cientistas ainda têm muito a aprender sobre as sutilezas da infecção patogênica de células humanas. Bactérias invasivas como Salmonella desenvolveram contramedidas sofisticadas para as defesas humanas, permitindo-lhes florescer sob condições hostis no estômago e intestino humanos para escapar furtivamente do sistema imunológico, tornando-os agentes altamente eficazes de doenças.

A questão é de particular preocupação médica para os astronautas durante as missões de voos espaciais. Seu sistema imunológico e função gastrointestinal são alterados pelos rigores das viagens espaciais, enquanto os efeitos da baixa gravidade e outras variáveis ​​do ambiente do voo espacial podem intensificar as propriedades causadoras de doenças dos micróbios que pegam carona, como Salmonella. Essa combinação de fatores apresenta riscos únicos para os viajantes espaciais que trabalham centenas de quilômetros acima da terra - longe de hospitais e cuidados médicos adequados.

Conforme a tecnologia avança, espera-se que as viagens espaciais se tornem mais frequentes - para a exploração espacial, pesquisa em ciências da vida, e até como atividade de lazer (para quem pode pagar). Avançar, missões estendidas com tripulações humanas estão no horizonte para a NASA e talvez para empresas de viagens espaciais como a SpaceX, incluindo viagens para a Lua e Marte. O fracasso em manter as infecções bacterianas sob controle pode ter consequências terríveis.

Esconder e Seq

No estudo atual, células epiteliais intestinais humanas, o principal alvo da bactéria Salmonella invasiva, foram infectados com Salmonella durante o vôo espacial. Os pesquisadores estavam interessados ​​em examinar como o cenário do voo espacial afetava a transcrição do DNA humano e bacteriano em RNA, bem como a expressão do conjunto resultante de proteínas humanas produzidas a partir do código de RNA, produtos de um processo conhecido como tradução.

A pesquisa envolveu o exame cuidadoso dos perfis transcricionais de Salmonella patogênica e das células humanas que elas atacam, bem como os perfis de expressão de proteínas das células humanas para avaliar os efeitos do ambiente de voo espacial na dinâmica hospedeiro-patógeno.

Para conseguir isso, pesquisadores usaram um método revolucionário conhecido como dual RNA-Seq, que aplicou a tecnologia de sequenciamento profundo para permitir a avaliação do comportamento do hospedeiro e do patógeno sob microgravidade durante o processo de infecção e permitiu uma comparação com os experimentos anteriores da equipe realizados a bordo do ônibus espacial.

Os dados do hospedeiro e do patógeno recuperados de experimentos de voo espacial foram comparados com aqueles obtidos quando as células foram cultivadas na Terra em hardware e condições de cultura idênticas (por exemplo, meios de comunicação, temperatura).

Terra e céu

Estudos anteriores de Nickerson e seus colegas demonstraram que as culturas de voos espaciais análogos de Salmonella em solo exibiram mudanças globais em sua expressão transcricional e proteômica (proteína), maior virulência, e melhor resistência ao estresse - descobertas semelhantes às produzidas durante seus experimentos nas missões do ônibus espacial STS-115 e STS-123.

Contudo, esses estudos de voos espaciais anteriores foram feitos quando apenas Salmonella foi cultivada em voos espaciais e as infecções foram feitas quando a bactéria retornou à Terra.

Em contraste, o novo estudo explora pela primeira vez, uma co-cultura de células humanas e patógenos durante o vôo espacial, fornecendo uma janela única para o processo de infecção. O experimento, chamado STL-IMMUNE, fazia parte da carga útil Space Tissue Loss transportada a bordo do STS-131, uma das últimas quatro missões do Ônibus Espacial antes de sua aposentadoria.

As células epiteliais intestinais humanas foram lançadas no espaço (ou mantidas em um laboratório no Centro Espacial Kennedy para controles de solo) em sistemas de cultura de tecidos tridimensionais (3-D) chamados biorreatores de fibra oca. Cada um dos biorreatores de fibra oca continha centenas de minúsculos, fibras porosas semelhantes a palha, revestidas com colágeno, sobre as quais as células intestinais se fixam e crescem. Esses biorreatores foram mantidos no Módulo de Cultura Celular, um sistema de hardware automatizado que bombeia quente, meios de cultura de células oxigenadas através das fibras minúsculas para manter as células saudáveis ​​e crescendo até que estivessem prontas para a infecção por Salmonella.

Uma vez em órbita, os astronautas a bordo do STS-131 ativaram o hardware. Onze dias depois, As células de S. Typhimurium foram injetadas automaticamente em um subconjunto de biorreatores de fibra oca, onde encontraram seu alvo - uma camada de células epiteliais humanas.

O RNA-Seq e os perfis proteômicos mostraram diferenças significativas entre as culturas epiteliais intestinais não infectadas no espaço e na terra. Essas mudanças envolveram proteínas importantes para a estrutura celular, bem como genes importantes para a manutenção da barreira epitelial intestinal, diferenciação celular, proliferação, cicatrização de feridas e câncer. Com base em seus perfis, células não infectadas expostas a voos espaciais podem apresentar uma capacidade reduzida de proliferação, em relação às culturas de controle terrestre.

Infecções longe de casa

As células epiteliais intestinais humanas atuam como sentinelas críticas da função imune inata. Os resultados do experimento mostraram que o voo espacial pode causar mudanças globais no transcriptoma e no proteoma de células epiteliais humanas, infectados e não infectados.

Durante o vôo espacial, 27 transcritos de RNA foram exclusivamente alterados nas células intestinais em resposta à infecção, mais uma vez estabelecendo a influência única do ambiente de voo espacial na interação patógeno-hospedeiro. Os pesquisadores também observaram 35 transcrições que eram comumente alteradas em células baseadas no espaço e no solo, com 28 genes regulados na mesma direção. Essas descobertas confirmaram que pelo menos um subconjunto das bioassinaturas de infecção que são conhecidas por ocorrer na Terra também ocorrem durante voos espaciais. Comparado com controles não infectados, células infectadas em ambos os ambientes exibiram regulação gênica associada à inflamação, um efeito característico da infecção por Salmonella.

Os transcritos bacterianos também foram detectados simultaneamente nas células hospedeiras infectadas e indicaram a regulação positiva de genes associados à patogênese, incluindo resistência a antibióticos e respostas ao estresse.

As descobertas ajudam a preparar o caminho para melhores esforços para proteger a saúde dos astronautas, talvez através do uso de suplementos nutricionais ou micróbios probióticos. Estudos em andamento deste tipo, a ser realizada a bordo da Estação Espacial Internacional e outros habitats espaciais, deve iluminar ainda mais os muitos mistérios associados à infecção patogênica e a ampla gama de doenças humanas pelas quais são responsáveis.

"Antes de começarmos este estudo, tínhamos dados extensos mostrando que o voo espacial reprogramou completamente a Salmonella em todos os níveis para se tornar um patógeno melhor, "Barrila diz." Separadamente, sabíamos que o voo espacial também impactou várias características estruturais e funcionais importantes das células humanas que a Salmonella normalmente explora durante infecções na Terra. Contudo, não havia dados mostrando o que aconteceria quando ambos os tipos de células se encontrassem no ambiente de microgravidade durante a infecção. Nosso estudo indica que existem algumas mudanças muito grandes na paisagem molecular do epitélio intestinal em resposta ao voo espacial, e esta paisagem global parece ser ainda mais alterada durante a infecção por Salmonella. "