HUMAN GUT MICROBIOTA, czyli jak mikrobiota bakteryjna człowieka zachowuje się w kosmosie

Mikrobiota jelitowa to złożony ekosystem drobnoustrojów (głównie bakterii) zamieszkujących układ pokarmowy. W ludzkim przewodzie pokarmowym egzystuje ich ogromna liczba i szacuje się, że w zależności od odcinka, tj. jelito cienkie, jelito grube, odbytnica, mówimy o nawet 106 do 1012 w 1 gramie treści! To bogate i zróżnicowane środowisko od lat budzi więc ogromne zainteresowanie naukowców, a najnowsze badania kliniczne wskazują coraz większą rolę bakterii w naszych jelitach nie tylko dla układu pokarmowego, ale i zdrowia całego organizmu.

Wystarczy tylko przypomnieć eksperyment opisany jakiś czas temu w czasopiśmie "Microbiome", w którym naukowcy University of East Anglia odmładzali i postarzali myszy dzięki przeszczepowi bakterii jelitowych - bakterie jelitowe starych myszy postarzały młode osobniki, a mikrobiota bakteryjna młodych miała właściwości odmładzające wiekowe już gryzonie. W tym kontekście informacje o tym, że zmarła niedawno 117-letnia Maria Branyas Morera, miała mikrobiotę przypominającą tę występującą u niemowląt, co mogło mieć kluczowe znaczenie dla jej długowieczności i ogólnego stanu zdrowia, nie powinny być dla nas większym zaskoczeniem.

Niedawno pisaliśmy zaś o badaniu potwierdzającym, że jelita to dosłownie nasz… drugi mózg. Przewód pokarmowy wyścielają miliony komórek nerwowych, identycznych z tymi, które budują korę mózgową. Hilke Plassmann i jej współpracownicy z Instytutu Mózgu i Rdzenia Kręgowego w Paryżu i Uniwersytetu w Bonn wykazali zaś, że zmiany w mikroflorze jelitowej mogą wpływać na to, jakie podejmujemy decyzje - ich zdaniem skład flory jelitowej ma oddziaływać na naszą wrażliwość, poczucie sprawiedliwości i to, jak traktujemy innych.

I to jeszcze nie wszystko, bo nie wspomnieliśmy nawet o tych dobrze znanych funkcjach mikroorganizmów, jak stymulacja systemu odpornościowego w zwalczaniu drobnoustrojów chorobotwórczych, regulacja rozwoju jelit, produkcja witamin, hormonów czy utrzymywanie prawidłowego funkcjonowania mózgu. Tyle że jest pewien problem, utrzymanie mikrobioty w równowadze i dobrej kondycji bywa dużym wyzwaniem, zwłaszcza w trudnych warunkach życiowych, bo jej skład zmienia się pod wpływem szeregu różnych czynników, jak żywność, hormony, środowisko, choroby, przyjmowane leki, stres czy wiek.

To co by się stało, gdybyśmy polecieli w kosmos, gdzie w grę wchodzą ekstremalne czynniki środowiskowe, jak promieniowanie kosmiczne? Takie pytania są coraz mniej abstrakcyjne, bo w kontekście zbliżających się załogowych lotów na Księżyc czy ustanowienia stałej obecności człowieka na Srebrnym Globie, musimy znać na nie odpowiedź. Bo nie oszukujmy się, ludzkie ciało nie jest przystosowane do życia w kosmosie, co dobrze widać m.in. po naszej krwi czy mózgu.

Od czasu, kiedy tylko rozpoczęliśmy podróże kosmiczne, naukowcy obserwują interesującą i konsekwentną utratę czerwonych krwinek u astronautów. Jedno z nowszych badań na ten temat wskazuje, że podczas 6-miesięcznej misji kosmicznej ludzkie ciało niszczy ok. 54 proc. czerwonych krwinek więcej niż w normalnych warunkach. To destrukcyjny i długotrwały mechanizm, który trudno zatrzymać, bo chociaż poziom czerwonych krwinek wraca do normy po 3-4 miesiącach, to nawet rok po podróży kosmicznej ciała astronautów wciąż niszczą 30 proc. czerwonych krwinek więcej niż przed pobytem w kosmosie.

To liczby zdecydowanie wyższe od spodziewanych, ale trudno podważać ich wiarygodność, skoro pochodzą bezpośrednio z wydychanego powietrza i krwi 14 astronautów z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Podobnie zresztą jak w przypadku badań mózgu, które pokazują podwyższone po pobycie na ISS stężenia trzech biomarkerów: NFL, GFAP i amyloidu beta Aβ40, wykorzystywane do analizy uszkodzeń mózgu. Czy podobnie jest z bakteriami?

Pewnych informacji na ten temat dostarczyło badanie z 2019 r. na identycznych bliźniakach, a konkretniej emerytowanych astronautach NASA. Scott Kelly w celach badawczych spędził blisko rok w kosmosie, a Mark Kelly pozostał na Ziemi, żeby można było porównać, jakie zmiany zaszły w ich organizmach. Okazało się, że mikrobiom w jelitach Scotta był różny podczas lotu i po powrocie, głównie za sprawą odmiennej diety astronautów, która zawiera głównie zamrożone suszone jedzenie, ale po 6 miesiącach mikrobiota jelitowa wróciła do normalnego stanu.

Więcej odpowiedzi przynieść może badanie HUMAN GUT MICROBIOTA, które w ramach polskiej misji IGNIS przeprowadzi na ISS między innymi astronauta Sławosz Uznański-Wiśniewski. Jego celem jest zbadanie, jak środowisko mikrograwitacji wpływa na skład i różnorodność mikrobiomu jelitowego człowieka, koncentrując się na zmianach zachodzących podczas krótkotrwałego pobytu w przestrzeni kosmicznej.

Uzyskane dane posłużą do opracowania nie tylko zdrowszych diet kosmicznych, ale także nowych generacji probiotyków dostosowanych do potrzeb osób narażonych na długotrwałe ograniczenia żywieniowe. O szczegółach misji miałem okazję porozmawiać z kierownikiem projektu, prof. dr hab. Elżbietą Anną Trafny z Centrum Inżynierii Biomedycznej Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej.

Geekweek: Z jakimi wyzwaniami musi mierzyć się mikrobiota jelitowa podczas podróży kosmicznych?

- Pobyt na orbicie okołoziemskiej wiąże się z wieloma wyzwaniami dla zdrowia człowieka, spośród których coraz większe zainteresowanie budzi wpływ środowiska kosmicznego na mikrobiotę jelitowego człowieka. Mikrobiota ta, stanowiąca zbiór drobnoustrojów zasiedlających przewód pokarmowy, odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu dobrostanu psychofizycznego człowieka. Odpowiada m.in. za prawidłowy przebieg trawienia, regulację układu odpornościowego, a także wpływa na funkcjonowanie układu nerwowego i ogólne samopoczucie.

Warunki panujące w przestrzeni kosmicznej mogą wpływać na mikrobiotę jelitową i prowadzić do wystąpienia zjawiska dysbiozy, czyli zaburzenia równowagi mikrobiologicznej. 

---

- Niesie to ze sobą ryzyko licznych konsekwencji zdrowotnych - od problemów trawiennych i obniżonej odporności po pogorszenie stanu psychicznego astronauty. W warunkach zredukowanej grawitacji zmienia się przebieg wielu procesów fizjologicznych, w tym motoryka jelit. Na skład i funkcjonowanie jelitowej mikrobioty wpływ mają także zmodyfikowana dieta astronautów, zakłócenia rytmu dobowego oraz promieniowanie kosmiczne. Nie można również zapominać o stresie, który nieodłącznie towarzyszy udziałowi w misji kosmicznej. Stres uruchamia określone reakcje fizjologiczne, w tym odpowiedź hormonalną organizmu, która może bezpośrednio oddziaływać na mikrobiotę jelitową, przyczyniając się do dalszego jej rozregulowania.

Dlaczego tak ważne jest zrozumienie, jak kosmos oddziałuje na mikrobiotę jelitową?

- Zrozumienie wpływu środowiska kosmicznego na mikrobiotę jelitową jest kluczowe dla zapewnienia zdrowia, odporności i wydolności astronautów podczas długoterminowych misji. Mikrobiota jelitowa kształtuje i reguluje odpowiedź immunologiczną. Dysbioza rozwijająca się w warunkach kosmicznych może osłabiać tę odpowiedź i zwiększać podatność na infekcje - co może być niebezpieczne w trakcie długotrwałych misji kosmicznych. Warto również podkreślić związek między mikrobiotą jelitową a funkcjonowaniem mózgu, poprzez tzw. oś jelito-mózg.

- Wpływa ona na produkcję neuroprzekaźników, takich jak serotonina, a także na funkcje poznawcze i emocjonalne. W silnie stresogennym środowisku, jakim jest lot kosmiczny, utrzymanie stabilności składu mikrobioty może przyczyniać się do zachowania równowagi psychicznej załogi. Uwzględnienie powyższych zależności jest ważne dla zapewnienia bezpieczeństwa oraz efektywnego planowania przyszłych misji załogowych. Możliwe, że wyniki eksperymentu "Human Gut Microbiota" przyczynią się do opracowania strategii prewencyjnych, takich jak dieta funkcjonalna i stosowanie probiotyków.

Czy oznacza to, że mikrobiom może w przyszłości służyć jako biomarker do oceny ogólnego stanu zdrowia astronauty przed, w trakcie i po misji?

- Dotychczasowe badania prowadzone na Ziemi koncentrują się na jak najszybszym powiązaniu składu taksonomicznego mikrobioty jelitowej ze stanem zdrowia człowieka. Obecnie jednak nie ma jeszcze wystarczających podstaw, by jednoznacznie stwierdzić, że analiza różnorodności mikrobioty jelitowej może służyć jako miara ogólnego stanu zdrowia astronauty - zarówno przed, jak i po locie kosmicznym.

- Na tym etapie nie można również wskazać konkretnych grup drobnoustrojów jako wiarygodnych biomarkerów zaburzeń zdrowotnych. Istnieje jednak możliwość, że dalsze badania prowadzone wśród astronautów oraz identyfikacja ewentualnych zmian w składzie mikrobioty pozwolą wyodrębnić taksony bakterii, które w przyszłości mogą zostać wykorzystane jako biomarkery stanu zdrowia.

Jak analizowany jest skład mikrobioty jelitowej na ISS, czyli jak dokładnie będzie wyglądał ten eksperyment? 

- Eksperyment "Human Gut Microbiota" zakłada pobieranie próbek mikrobioty jelitowej (próbek kału) astronautów w ściśle określonych punktach czasowych: dwukrotnie przed rozpoczęciem misji, trzykrotnie podczas pobytu na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) oraz dwukrotnie po powrocie na Ziemię. Jednym z głównych wyzwań logistycznych tego projektu jest konieczność przechowywania próbek w głębokim zamrożeniu (-80°C) na ISS, a następnie ich transport na Ziemię i dostarczenie do laboratorium w Wojskowej Akademii Technicznej w tej samej niskiej temperaturze. Nawet krótkotrwałe rozmrożenie materiału mogłoby wpłynąć na wyniki analizy, prowadząc do zafałszowania rzeczywistego obrazu składu mikrobioty jelitowej.

- W laboratorium w Warszawie z pobranych próbek zostanie wyizolowane bakteryjne DNA, które następnie zostanie poddane sekwencjonowaniu z wykorzystaniem nowoczesnych metod biologii molekularnej. Analizy te pozwolą na ocenę składu oraz różnorodności mikrobioty jelitowej. Uzyskane sekwencje DNA, unikalne dla setek taksonów bakteryjnych zamieszkujących jelita, zostaną poddane dalszej analizie przy użyciu narzędzi bioinformatycznych. Badania te są realizowane w ramach współpracy Wojskowej Akademii Technicznej z Europejską Agencją Kosmiczną (European Space Agency, ESA).

W jaki sposób te wyniki mogą wpłynąć na projektowanie przyszłych diet kosmicznych? Czy widzicie możliwość personalizacji diety astronautów w oparciu o indywidualny mikrobiom?

- Choć to wciąż odległa perspektywa, wymagająca wielu żmudnych analiz prowadzonych na Ziemi, teoretycznie możliwe jest dostosowanie diety astronautów do ich indywidualnych potrzeb. Dzięki sekwencjonowaniu i bioinformatycznej analizie składu mikrobioty jelitowej, w przyszłości można będzie opracować spersonalizowane schematy żywieniowe, wspierające równowagę mikrobiologiczną jelit i zapobiegające zaburzeniom metabolicznym podczas długotrwałych misji kosmicznych.

Zanim jednak takie rozwiązania zostaną wdrożone, konieczne jest wykazanie jednoznacznego związku przyczynowo-skutkowego między konkretnymi zmianami w składzie mikrobioty jelitowej a stanem zdrowia astronauty. 

---

Jakie są zatem kolejne kroki w badaniach nad mikrobiotą w przestrzeni kosmicznej?

- Niezbędne jest systematyczne i długofalowe gromadzenie danych dotyczących potencjalnych zmian w mikrobiocie jelitowej u kolejnych astronautów. Praktycznie każda misja kosmiczna powinna uwzględniać eksperyment podobny do naszego. Im więcej danych uda się pozyskać, tym większa będzie wiarygodność i precyzja formułowanych wniosków. Zebrane informacje powinny być gromadzone w łatwo przeszukiwalnych bazach danych. W naukach medycznych wartość dowodowa wzrasta wraz z liczebnością badanej grupy, dlatego zwiększenie liczby astronautów uczestniczących w takim eksperymencie jest kluczowe dla uzyskania istotnych wyników.

A czy uzyskane wyniki - poza lotami kosmicznymi - będą miały przełożenie również na nasze codzienne życie?

- Dane uzyskane w trakcie realizacji projektu przyczynią się do poszerzenia podstawowej wiedzy na temat znaczenia prawidłowego mikrobiomu jelitowego dla zdrowia człowieka. Wyniki badań prowadzonych w warunkach kosmicznych mogą znaleźć zastosowanie również w ochronie zdrowia osób przebywających w izolacji i trudnych warunkach środowiskowych, takich jak stacje polarne, okręty podwodne czy oddziały szpitalne wymagające długotrwałej opieki.

- Badania te pozwolą także lepiej zrozumieć wpływ stresu na mikrobiom, co ma szczególne znaczenie dla przedstawicieli zawodów narażonych na długotrwałe obciążenie psychiczne, takich jak ratownicy medyczni, strażacy czy żołnierze. Dzięki eksperymentom prowadzonym w przestrzeni kosmicznej możliwe będzie opracowanie skuteczniejszych metod profilaktyki dysbiozy i wspierania mikrobioty jelitowej, na przykład poprzez precyzyjne stosowanie probiotyków i pokrewnych preparatów.