Изменение микробиома астронавтов в космосе

Человеческий микробиом связан с пищеварением, депрессией и многим другим. Как космические путешествия могут это изменить?

Космос таит в себе огромные опасности для людей, от чёрных дыр до тепловой смерти Вселенной. Но поскольку человечество рассматривает дальние космические путешествия, есть и другие, меньшие потенциальные опасности, которые, по мнению некоторых исследователей, могут заслуживать большего внимания: микробы с Земли.

А на Земле исследователи всё чаще узнают, как различные бактерии и другие микроорганизмы, живущие внутри и вне людей, — человеческий микробиом — влияют на физическое и психическое здоровье.

Космос, конечно, совершенно иная среда, чем Земля, с высоким уровнем радиации и микрогравитацией. Хотя наука далека от уверенности, эти огромные различия могут вызвать неожиданные изменения в микробиоме астронавтов. В свою очередь, это может привести к целому ряду проблем со здоровьем, которые могут быть более выраженными при длительном пребывании в космосе, например, при путешествии на другую планету. Тем не менее, последствия нарушения микробиома плохо изучены даже на Земле, говорит Дэвид Пирс, исследователь биологических наук из Университета Нортумбрии и автор статьи 2022 года, в которой исследуется, как путешествие на Марс может повлиять на микробы в кишечнике — что затрудняет прогнозирование ряда сопутствующих заболеваний и болезней в космосе.

И прямые исследования ограничены, потому что только около 600 человек когда-либо были в космосе. Те, кто отправился в путешествие, обычно не остаются надолго, так как средняя продолжительность полёта на Международную космическую станцию составляет около шести месяцев. И некоторые исследователи ещё не убеждены, что имеется достаточно доказательств того, что человеческий микробиом вообще сильно изменится в космосе. Тем не менее, многие исследователи, включая Пирса, пытаются выяснить, войдут ли астронавты в состояние, при котором их микробиом изменится неблагоприятным образом, называемым дисбиозом или дисбактериозом.

Исследователи пытаются понять возможное влияние космоса на микробиом в двух местах: в земных условиях, которые в чём-то схожи с теми, которые имеются в космосе, или в самом космосе. В качестве примера первого случая можно привести Норберто Гонсалес-Хуарбе, главного исследователя группы по изучению микробиома астронавтов в группе инфекционных заболеваний и геномной медицины Института Дж. Крейга Вентера. Он изучает микробиомы исследователей, работающих на станциях Конкордия и Ноймайер в Антарктида. Он сказал, что эти места частично имитируют то, что астронавты испытывают в космосе, особенно темноту, заточение и ограниченный контакт с людьми.

Команда планирует проанализировать образцы от исследователей на этих станциях, чтобы увидеть, как меняется микробный состав их желудочно-кишечного тракта и как их иммунная система реагирует на условия, подобные космическим станциям. По словам Гонсалес-Хуарбе, первые результаты показывают сдвиги в кишечных микробах, и в настоящее время команда изучает иммунологические данные. Он рассчитывает опубликовать результаты к концу этого года.

Что касается исследований, проводимых в космосе, то их немного. Например, в одном исследовании 2019 года сравнивались микробиомы астронавта Скотта Келли и его брата-близнеца Марка после того, как первый отправился на МКС почти на год, начиная с 2015 года. В исследовании утверждалось, что микробиом Скотта Келли действительно изменился в космосе. Для него это включало сокращение количества бактерий, называемых Bacteroidetes, нарушение регуляции которых было связано с неврологическими проблемами, проблемами иммунной системы и метаболизма, а также увеличение количества Firmicutes, типа бактерий, которые могут помочь расщеплять определенные крахмалы и волокна.

В 2019 году в другом исследовании Института Дж. Крейга Вентера приняли участие девять астронавтов, которые провели на МКС от 6 до 12 месяцев. Астронавты собрали образцы с различных участков кожи, носа и языка, кровь и слюну, а также образцы с различных поверхностей на станции. По возвращении их на Землю, авторы исследования извлекли и секвенировали ДНК из образцов, чтобы увидеть, как микробиомы астронавтов менялись с течением времени. Исследование показало, что количество различных кожных микробов, в том числе типов гаммапротеобактерий, уменьшилось, что, по мнению авторов, может способствовать распространённому явлению сыпи и гиперчувствительности кожи среди космонавтов в космосе. Результаты также показали, что желудочно-кишечный микробиом астронавта изменился, и что два типа бактерий — Akkermansia и Ruminococcus, которые, по-видимому, играют важную роль в поддержании целостности слизи в пищеварительном тракте и в расщеплении углеводов — уменьшились в пять раз.

Изменения кишечного микробиома могут повлиять на метаболизм пищи, здоровье костей и даже познание, говорит Гонсалес-Хуарбе, который не участвовал в исследовании 2019 года. Более длительное пребывание в космосе — например, 18 месяцев до Марса и обратно — вероятно, усугубит эти проблемы.

Однако не все убеждены, что человеческий микробиом меняется в космосе. По словам Джека Гилберта, профессора педиатрии Калифорнийского университета в Сан-Диего и главы отдела биологии Океанографического института Скриппса, в существующих исследованиях слишком мало субъектов, чтобы делать какие-либо выводы. Гилберт также скептически относится к исследованию близнецов Келли: «У нас есть много исследований близнецов, которые мы сравнивали во времени на Земле, и все они показывают значительные отклонения друг от друга».

Исследование, проведенное Гилбертом и его коллегами в 2019 году, предполагает, что это может быть так. В марте 2016 года астронавты на МКС собрали образцы со стола в обеденном зале станции. Спустя шесть дней образцы были доставлены на Землю. Затем Гилберт и его команда выделили микробы из образца, отобрали два штамма грибка Fusarium oxysporum и секвенировали их гены. Затем команда сравнила образцы изолированных грибов с 62 другими штаммами и обнаружила, что генетика образцов МКС отличается от генетики их земных собратьев. Команда также подвергла оба образца воздействию маленьких червей, называемых нематодами. Они обнаружили, что некоторые из микробов, прибывших с МКС, убили больше этих червей. Гилберт говорит, что, возможно, грибок становится более патогенным в ответ на суровые условия космоса, хотя его команда работает над новым исследованием, чтобы прояснить эту связь.

Микробы предпочитают тёплые, влажные места, такие как среда внутри человеческого тела. Таким образом, микробы, которые вырываются из этой среды обитания на холодные сухие поверхности, также подверженные радиации и отсутствию гравитации, могут на протяжении поколений приобретать новые навыки выживания. Гилберт отметил, что астронавты, выбранные для полёта в космос, часто невероятно здоровы, поэтому вероятность того, что они заболеют из-за одного из этих «микробов-изгоев», невелика. Однако, если у кого-то в длительном полёте на Марс ослаблена иммунная система из-за пищевого отравления или истощения, он может заразиться.

Существующие исследования человеческого микробиома в космосе оставляют много неизвестных, по словам некоторых исследователей. Например, Николь Бакли, руководитель группы программы SciSpacE Европейского космического агентства отметила, что трудно сказать, вызваны ли какие-либо недуги в космосе, такие как потеря сна, микробными нарушениями. Также пока неясно, как исследователи могут рестабилизировать микробиом человека в космосе, если он выйдет из строя до состояния болезни. Например, фекальная трансплантация, которая включает пересадку полезных бактерий из стула здорового донора больному, может помочь восстановить иммунные функции у людей с определёнными заболеваниями. Но поскольку микробиомы настолько сложны, «это не похоже на введение лекарства, которое даст результат».

Однако некоторые исследователи отметили, что довольно простые изменения могут иметь значение для астронавтов. Гонсалес-Хуарбе сказал, что свежие фрукты и овощи и продукты с высоким содержанием клетчатки могут способствовать размножению микробов, которые производят жирные кислоты с короткой цепью в желудке, что помогает поддерживать иммунную систему. Бакли отметил, что пре- и пробиотические продукты также могут помочь в этой области.

Астронавты в космосе имеют доступ к сублимированным продуктам, согласно электронному письму Грейс Дуглас из Проекта передовых пищевых технологий НАСА, которые имеют «нормальный уровень пищевых микроорганизмов», но обрабатываются, чтобы не содержать каких-либо патогенов. Астронавты также получают небольшое количество свежих фруктов и овощей во время миссий по пополнению запасов. Тем не менее, по словам Бакли, здоровый микробиом требует ограничения продуктов, подвергшихся технологической обработке, и ещё большего количества свежих фруктов и овощей, а также продуктов с высоким содержанием клетчатки.

В настоящее время ЕКА работает над исследованием, в ходе которого они вводят соединения, обнаруженные в человеческом грудном молоке, называемые олигосахаридами, связанной группой углеводов, в рацион исследователей, находящихся на исследовательской станции Конкордия в Антарктике более года. Считается, что эти соединения важны для создания здорового микробиома у детей. В ходе исследования будет проверено влияние олигосахаридов на микробиомы, иммунную систему и настроение исследователей.

Есть ещё другие области, которые необходимо изучить, которые могут способствовать пониманию наукой влияния космоса на человеческий микробиом. Например, необходимо больше информации об отдельных астронавтах и их микробном равновесии, что заставляет их микробиомы становиться стабильными или нестабильными.

Пирс говорит, что астронавты могут столкнуться со знакомыми условно-патогенными микроорганизмами — микробами, которые обычно безобидны, но могут стать опасными, когда иммунная система человека ослабевает, среди прочих факторов, — например, вызывающие MRSA, который обнаруживается у 2 процентов людей. Но в этой области могут быть «неизвестные неизвестные»: микробы, которые люди будут нести в космос, которые имеют нераскрытый потенциал и могут стать патогенными. По словам Пирса, сейчас также неизвестно, как изменится микробиом человека во время долгого путешествия на Марс по сравнению с относительно коротким пребыванием на МКС.

Но, учитывая сроки космического полёта к красной планете, который НАСА планирует провести в конце 2030-х или начале 2040-х годов, у учёных есть достаточно времени, чтобы лучше понять роль, которую микробиом может играть для здоровья астронавтов. До тех пор, по словам Пирса, исследователи должны продолжать использовать доступные им средства, будь то наземные исследования, имитирующие космос, исследования в самом космосе или просто тесты, направленные на лучшее понимание микробиома людей, которые находятся в безопасности на земле.