19 april 2018

Onderzoek met immuun-, zenuw- en kankercellen op het ISS.

Een drietal Duitse medische experimenten met de grootte van een smartphone gingen op 15 december j.l. met de  Dragon CRS-13 capsule op een Falcon 9 raket vanaf Cape Canaveral  naar het ISS. Medio januari 2018 keren ze terug naar aarde.

Cosmic Rays causing dementia a.o. credits; IFLscience

Aan boord waren drie celkweek experimenten door wetenschappers van het Otto-von-Guericke Universiteit en de Universiteit van Hohenheim (Dld.) in opdracht van de DLR. De biologische monsters werden geïnstalleerd in experimentele containers ter grootte van een smartphone op de onderzoeksfaciliteit “STaARS 1” in de Destiny-module van het ISS. Daar blijven ze in gewichtloosheid gedurende  30 dagen, totdat ze medio januari 2018 naar de aarde terugkeren met de Dragon-capsule en vervolgens in het laboratorium worden onderzocht.

Wat gebeurt er met het immuunsysteem in de ruimte?
Het menselijke immuunsysteem is aangetast en verzwakt tijdens een verblijf in de ruimte onder gewichtloosheid. Voorlopige testen op het ISS hebben aangetoond dat de activiteit van immuuncellen wordt beïnvloed door de veranderde zwaartekracht. De cellulaire en moleculaire mechanismen die dit veroorzaken zijn echter nog niet volledig bekend. In de voorhoede van het immuunsysteem zijn macrofagen. Deze scavenger-cellen, die deel uitmaken van de witte bloedcellen, zijn verantwoordelijk voor het aanvallen en doden van bacteriën en andere ziekteverwekkers in het menselijk lichaam. Als oorzaak van de verslechtering van het immuunsysteem, vermoeden wetenschappers de tussenkomst van het cytoskelet, (d.w.z. de buigzame binnenverpakking van de  skeletstructuur van een cel.) Het doel van het experiment door de Universiteit van Magdeburg is daarom om langetermijnveranderingen in macrofagen te registreren die door gewichtloosheid worden veroorzaakt. “Dergelijk onderzoek onder gewichtloosheid over een langere periode is alleen mogelijk op het  ISS”, verklaart DLR-projectmanager Dr. med. Michael Becker. “Op de lange termijn moeten met behulp van nieuwe bevindingen uit het experiment  medicijnen voor aandoeningen m.b.t.  immuundeficiëntie  worden ontwikkeld. Dit zal nuttig zijn, niet alleen voor astronauten maar ook voor patiënten op aarde.

Kankeronderzoek in gewichtloosheid
Studies van schildkliercellen zijn de focus van het tweede experiment van celbiologen uit Magdeburg. Eerdere experimenten met gewichtloosheid hebben aangetoond dat speciale kankercellen in gewichtloosheid een bolvormige verzameling van tumorcellen vormen, genaamd driedimensionale multicellulaire tumorsferoïden. In gewichtloosheid wordt het effect van biochemische stoffen op sferoïde groei het best onderzocht, omdat de storende krachten van de zwaartekracht op aarde hier worden geëlimineerd. Deze stoffen worden geanalyseerd na terugkeer van de cellen in het laboratorium van de wetenschappers van Magdeburg. De nadruk ligt vooral op de studie van veranderingen in alle celeiwitten om belangrijke signaalroutes te ontdekken. De kennis van de moleculaire processen zal uiteindelijk de ontwikkeling van specifieke kankergeneesmiddelen dienen.

Hoe passen zenuwcellen zich aan aan gewichtloosheid?
Aan deze vraag  wordt gewerkt door wetenschappers van de Universiteit van Hohenheim met hun ISS-experiment. Uit studies is bekend dat het cytoskelet van zenuwcellen wordt beïnvloed door veranderingen in de zwaartekracht. Dit cytoskelet speelt niet alleen een belangrijke rol bij het vormgeven van de cel, maar dient ook als een intern transportsysteem voor de uitwisseling van informatie, zoals de communicatie van zenuwcellen met elkaar. Het cytoskelet is verankerd in het celmembraan via speciale eiwitten en is verantwoordelijk voor de prikkelbaarheid van zenuwcellen. In het ISS-experiment ligt de nadruk op deze ankerproteïnen. De wetenschappers willen onderzoeken of deze eiwitten veranderen of hervormen onder gewichtloosheid. Daarnaast worden veranderingen in de verdeling van zogenaamde kanaaleiwitten onderzocht. Deze eiwitmoleculen dienen om ionen naar de cel te transporteren en zijn daarom ook essentieel voor de prikkelbaarheid van zenuwcellen. De wetenschappers hopen inzicht te krijgen in de ontwikkeling van neuronen in gewichtloosheid, die met name relevant zijn tastronauten voor de lange termijn.

NASA onderzoek kanker en zenuwstelsel

De ruimte is een harde en onverbiddelijke omgeving en het is blijven zoeken naar acceptabele risico’s voor de astronauten. Hoe een verblijf in de ruimte onze gezondheid aantast is inmiddels veel over geschreven. Het grootste gevaar komt van GCR’s of kosmische straling en SPE’s of solar particle events, zonnevlam uitbarstingen waarvan de nuclei van zware atomen met extreem hoge snelheid  het menselijk weefsel binnendringen. Tijdens een Mars reis met een conventionele raket zal een astronaut mogelijk 0.66 Sieverts ontvangen (een Sievert is eeenheid die het fysiologisch effect van straling meet). Dat is fors, i.v.m. de 1.0 Sievert,  de limiet  voor een astronaut gedurende  zijn hele werkzame leven. Uiteraard verschilt het per persoon, leeftijd, geslacht, aanleg en andere factoren spelen een grote rol. Stralingsabsorptie kan het risico op kanker in de ruimte verhogen tot 5 %, een getal dat boven het limiet gaat dat NASA nastreeft. Straling is tevens gevaarlijk vanwege zijn  grillige natuur. Kosmische straling oefent een aanzienlijk belasting uit op het immuunsysteem van de astronauten en ze worden vatbaarder voor ziektes. Met beperkte medische voorzieningen aan boord is een ziekte, hoe onbeduidend het ook lijkt, een serieuze bedreiging voor de missie. Recentelijk heeft NASA’s ‘Integrated Immune’ studie, waarover meer dan 100 intensieve studies zijn samengebald, aangetoond dat de celfunctie van de astronauten in het ISS  ‘depressed’ onderdrukt worden en t.g. hiervan het immuunsysteem inefficiënt reageert. Een effect hiervan is het ‘viral shedding’ of virusuitscheiding, slapende virussen worden geactiveerd wat leidt tot allerlei allergieën, uitslag enz. Ook bestudeerde NASA het bloed van 28 ISS astronauten voor tijdens en na de vlucht. Met name de afnemende cytokine functie (dit zijn eiwitten die immuuncellen a.h.w. rekruteren om infecties te bestrijden), met gevolg een hogere kans op infecties. De huidige stand van onderzoek toont aan dat er voor zover men weet geen stabilisatie van het immuunsysteem plaatsvindt waardoor het ook niet te voorzien is wat het gaat doen, verslechteren of verbeteren. De verhoogde kans op kanker is een hot topic onder missieplanners. O.a. NASA medici werken hard aan een protocol waarin anti-oxidanten en niet-steroïde  ontstekingsremmende medicijnen. Het is mogelijk dat ook natuurlijke stoffen, ‘natural agents’ het risico enigszins kunnen beperken, bv. curcumine. Astronauten kunnen ook  zwaardere middelen nemen zoals het WR-2721, een medicijn dat beschermt tegen kosmische straling. Het heeft echter nadelige bijwerkingen m.n. op het gezichtsvermogen.

NASA neemt het probleem zeer serieus op en werkt hard aan stralings protectie, en het testen van nieuwe farmaceutica en voedingsleer. M.b.t. het zenuwstelsel is er het probleem bij terugkeer uit gewichtloosheid, orthostatische hypotensie  (Dit is een daling van de systolische bloeddruk met minstens 20 mmHg of van de diastolische bloeddruk met minstens 10 mmHg binnen drie minuten na het opstaan), dat vrijwel bij iedere astronaut die terugkeert op aarde optreedt. Op aarde wordt het autonome zenuwstelsel wordt geactiveerd als je opstaat, en past je cardiovasculaire systeem zich aan om de juiste bloeddruk te behouden. Maar in een 0 g of micro zwaartekracht omgeving  of wanneer iemand met orthostatische hypotensie opstaat, reageert het autonome zenuwstelsel niet zoals het zou moeten en daalt de bloeddruk, waardoor de hersenen bloed en zuurstof worden onthouden. De persoon voelt zich duizelig en kan flauwvallen. Astronauten, zeker na lange missie’s, worden daarom afgevoerd op brancards, en als voorzorgsmaatregel laten ruimtevaartorganisaties hun astronauten 3 weken na terugkeer op aarde niet autorijden. Hopelijk dragen de resultaten van de Duitse ISS experimenten weer hun steentje bij aan het ruimte geneeskundig onderzoek. Bron; DLR news, NASA 

Reacties

  1. Dick Mesland zegt:

    Het is wellicht interessant te weten dat reeds in de eerste Spacelabvlucht in 1983 (waarmee John Young vloog), een experiment van Dr. Cogoli van het ETH in Zwitserland suggereerde dat geïsoleerde menselijke lymphocyten afwijkend reageerden in gewichtsloosheid. Dit experiment werd herhaald in 1985 met de Spacelabvlucht D1, waarin o.a. Wubbo Ockels mee vloog, maar nu onder de strikt gecontroleerde condities van het Biorack. Dat wil zeggen dat andere effecten zoals die van de lancering en de ruimtestraling werden uitgesloten. Het resultaat was hetzelfde: nauwelijks activatie van de lymphocyten t.o.v gelijktijdige experimenten op de grond, en die in een 1xg centrifuge in het Biorack.

    Spacelab en het Biorack (beide van ESA) boden de ideale omstandigheden voor het doen van dergelijke celbiologische experimenten. Deze omstandigheden konden sindsdien niet meer worden geëvenaard. Het is daarom niet toevallig dat men thans, na meer dan 30 jaar, nog steeds geen helder begrip heeft van die merkwaardige situatie dat een uiterst geringe kracht als die van de zwaartekracht (vergeleken met de krachten die op de micro en nanoschaal van de cel dominant zijn) zo’n grote rol blijkt te spelen.

  2. Angele van Oosterom zegt:

    Dank voor de interessante aanvulling!

Laat wat van je horen

*