Dlaczego gęstość kości astronautów maleje w kosmosie?

Zmiany w mikrobiomie jelitowym astronautów mogą być związane z obserwowaną w warunkach mikrograwitacji utratą masy kostnej – donoszą naukowcy z Instytutu Forsytha w Cambridge.

Gęstość kości astronautów zmniejsza się w kosmosie. Okazuje się, że jedną z przyczyn takiego stanu mogą być zmiany w składzie mikrobiomu jelitowego przebywających w warunkach mikrograwitacji ssaków – zarówno ludzi, jak i gryzoni.

Na łamach pisma „Cell Reports” („Specific host metabolite and gut microbiome alterations are associated with bone loss during spaceflight”) zespół mikrobiologów opublikował wyniki swojego najnowszego badania, którego przeprowadzenie możliwe było dzięki wysłaniu 20 gryzoni na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS), gdzie spędziły miesiąc lub dwa. Celem eksperymentu było określenie, jak zmienia się mikrobiom podczas długotrwałej ekspozycji na mikrograwitację oraz czy jest to w jakikolwiek sposób związane ze zmianami w gęstości kości.

Po upływie 4,5 tygodnia 10 zwierząt powróciło na Ziemię, a 10 kolejnych pozostało w kosmosie na kolejne tygodnie.

Przez cały czas trwania eksperymentu inna grupa 20 gryzoni (kontrolna) trzymana była w identycznych warunkach – choć bez mikrograwitacji – na Ziemi.

Naukowcy kilkukrotnie badali i oceniali skład mikrobiomu jelitowego zwierząt: przed startem, po powrocie na naszą planetę i na koniec badania. Okazało się, że pobyt w kosmosie spowodował zwiększenie różnorodności drobnoustrojów jelitowych. Co ważne – gatunki bakterii, które „rozkwitły” poza Ziemią związane są z produkcją cząsteczek, o których wiadomo, że wpływają na proces przebudowy kości.

Chodzi szczególnie o dwa rodzaje bakterii: Lactobacillus i Dorea. Ich liczebność była zdecydowanie wyższa u gryzoni „kosmicznych” w porównaniu z „ziemskimi”, przy czym im więcej czasu zwierzęta przebywały na stacji kosmicznej, tym liczniejsze były populacje tych właśnie drobnoustrojów.

Metabolity produkowane przez te bakterie są czynnikiem, który naukowcy wiążą ze zmianami w obrębie struktur kostnych.

– To kolejny żywy przykład pokazujący dynamiczne interakcje między mikrobiomem jelitowym a organizmem gospodarza – mówi jeden z autorów publikacji, dr Wenyuan Shi. – Nasz mikrobiom stale reaguje na wszelkie czynniki w otoczeniu, wykrywa nawet mikrograwitację.

– Jeszcze nie odkryliśmy, czy to związek przyczynowy, czy po prostu korelacja, czy też rodzaj aktywnej kompensacji, którą dałoby się złagodzić, jednak uzyskane dane są zachęcające i tworzą nowe możliwości eksploracji – dodaje.

Badacz przypomina, że nasze kości nie są tworem statycznym – nawet gdy jesteśmy dorośli, materiał, który je tworzy, jest stale dodawany i usuwany w procesie zwanym przebudową. Ostatnie badania sugerują, że drobnoustroje jelitowe pełnią niebagatelną rolę w kontroli tego mechanizmu, m.in. poprzez swoje interakcje z układem odpornościowym i hormonalnym. Te same drobnoustroje wytwarzają też różne cząsteczki, związane z ich własnym metabolizmem, spośród których co najmniej kilka oddziałuje pośrednio z komórkami odpowiedzialnymi za przebudowę kości.

– Spodziewamy się, że podróże kosmiczne wpływają na mikrobiom z kilku powodów. Przede wszystkim w grę wchodzą siły fizyczne, takie jak mikrograwitacja i ekspozycja na promieniowanie kosmiczne, które oddziałują nie tylko na komórki ludzkiego ciała, lecz także na komórki bakteryjne – mówi główny autor i pomysłodawca badania dr Joseph K. Bedree. – Wpływ ten polega na pojawieniu się m.in. nieprawidłowości w układzie odpornościowym, zmian w układzie mięśniowo-szkieletowym, zmienionym rytmie dobowym, stresie. Kiedy systemy te stają się niezrównoważone, społeczność drobnoustrojów również zostaje zakłócona.

Jednak także czynniki niezwiązane z mikrograwitacją mogą wpływać na zmieniający się mikrobiom gryzoni przebywających w kosmosie. Jednym z nich jest to, że na stacji zwierzęta nie były w stanie zaangażować się w koprofagię, czyli normalne u gryzoni zjawisko polegające na zjadaniu własnych odchodów, co jest niezbędne do ponownego wprowadzenia drobnoustrojów do jelit. Po powrocie na Ziemię gryzonie wróciły do tego zachowania, co prawdopodobnie umożliwiło szybką regenerację mikrobiomu.

– Dobrą wiadomością jest więc to, że chociaż mikrobiom zmienia się w przestrzeni, zmiany te nie są stałe i wydają się ustępować po powrocie na Ziemię – cieszą się naukowcy.

Ich zdaniem badanie to wiele wnosi do lepszego zrozumienia zależności pomiędzy panującymi w kosmosie warunkami, drobnoustrojami zamieszkującymi nasze jelita a gęstością kości. Dalsze prace z tym związane planują prowadzić już na naszej planecie.

– Jeśli uda nam się dowiedzieć, które drobnoustroje wspierają utrzymanie gęstości kości, może to pomóc astronautom zachować lepsze zdrowie podczas podróży kosmicznych – podsumowuje dr Shi. – Mało tego, potencjalnie może to doprowadzić do stworzenia nowych narzędzi do leczenia chorób, takich jak osteopenia czy osteoporoza, czyli może być przydatne nie tylko dla kosmonautów.

Dr Shi podkreśla również, że ich eksperyment był pierwszym w historii NASA, który zakończył się szczęśliwym powrotem żywego gryzonia z kosmosu na Ziemię.

Tytuł pochodzi od redakcji