Ученые описали инфицирование человеческих клеток Salmonella typhimurium во время космического полета.
Они показывают, как микрогравитационная среда космического полета изменяет молекулярный профиль клеток кишечника человека и как эти экспрессионные паттерны в дальнейшем меняются в ответ на инфекцию. Исследователи также смогли обнаружить молекулярные изменения бактериального патогена, находящегося внутри инфицированных клеток хозяина.
Из-за исключительных условий космических полетов космонавты сталкиваются со многими вызовами своему здоровью. Среди них - различные инфекционные агенты, способные атаковать их подавленную иммунную систему.
В первом исследовании такого рода, Шерил Никерсон, ведущий автор и ее коллеги описывают инфицирование клеток человека Salmonella typhimurium во время космического полета. Они показывают, как микрогравитационная среда космического полета изменяет молекулярный профиль клеток кишечника человека и как эти экспрессионные паттерны в дальнейшем меняются в ответ на инфекцию. В другом исследовании также удалось обнаружить молекулярные изменения бактериального патогена, находящегося внутри инфицированных клеток хозяина. Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на процесс инфицирования и могут привести к появлению новых методов борьбы с инвазивными патогенными микроорганизмами во время космических полетов и в менее экзотических условиях здесь на Земле.
Результаты их работы представлены в текущем выпуске журнала npj Microgravity.
В ходе исследования на борту космического корабля Спейс шаттл STS-131 были выращены эпителиальные клетки кишечника человека, в которых культуры либо были инфицированы сальмонеллой, либо оставались неинфицированными в качестве контрольной группы.
Исследование выявило глобальные нарушения в РНК и экспрессии белков, а также в экспрессии РНК в бактериальных клетках в сравнении с земными контрольными образцами и подтвердило ранее сделанные группой выводы о том, что космический полет может усилить потенциал инфекционных заболеваний.
Никерсон и Баррила, исследователи Центра биодизайна, фундаментальной и прикладной микробиомики, вместе со своими коллегами, использовали космический полет в качестве уникального экспериментального инструмента для изучения того, как изменения микрогравитационной среды могут изменять реакцию как хозяина, так и патогена в период инфекции. В более ранней серии исследований ученые продемонстрировали, что среда космических полетов может усиливать болезнетворные свойства или вирулентность патогенных организмов, таких как Salmonella, в сравнении с условиями, когда тот же организм культивировался в обычных лабораторных условиях. Это позволило получить сведения о глубинных механизмах, лежащих в основе повышенной вирулентности, и о том, как ее можно обуздать или устранить.
Однако эти исследования проводились тогда, когда в космическом полете только культивировалась сальмонелла, а инфекции - когда бактерии возвращались на Землю.
"Мы ценим возможность, которую NASA предоставило нашей команде для изучения всего процесса инфицирования в космическом полете, что позволяет по-новому взглянуть на механобиологию инфекционных заболеваний, которую можно использовать для защиты здоровья астронавтов и снижения риска инфекционных заболеваний", - говорит Никерсон о новом исследовании. "Это становится все более важным по мере того, как мы переходим к более длительным космическим миссиям".
По данным CDC, штаммы сальмонелл продолжают опустошать общество, вызывая около 1,35 миллиона инфекций пищевого происхождения, 26 500 госпитализаций и 420 смертей в США ежегодно. Инфекционный процесс при сальмонеллезе представляет собой динамический "танец" между хозяином и бактерией, его ритм продиктован биологическими и физическими факторами окружающей ткани среды. Несмотря на десятилетия интенсивных исследований, ученым еще предстоит многое узнать о тонкостях патогенной инфекции человеческих клеток. Инвазивные бактерии, такие как Salmonella, разработали сложные контрмеры, позволяющие им процветать во враждебных условиях желудка и кишечника, что делает их высокоэффективными возбудителями болезней.
Этот вопрос вызывает особую обеспокоенность у астронавтов во время космических полетов. Их иммунная система и функция желудочно-кишечного тракта меняются под влиянием космических условий, в то время как воздействие малой гравитации и других переменных среды космического полета может усилить болезнетворные свойства бактерий. Такое сочетание факторов создает особый риск для космических путешественников, работающих на высоте сотен миль над Землей - вдали от больниц и соответствующего медицинского обслуживания.
По мере развития технологий ожидается, что космические путешествия будут становиться все более частыми - для исследования космоса, исследований в области наук о жизни и даже в качестве досуга (для тех, кто может себе это позволить).
В данном исследовании эпителиальные клетки кишечника человека - основной мишени сальмонелл - были инфицированы сальмонеллой во время космического полета. Исследователи были заинтересованы в изучении того, как космос влияет на транскрипцию человеческой и бактериальной ДНК в РНК, а также на экспрессию набора человеческих белков, полученных на основе РНК-кода, продуктов процесса, известного как трансляция.
Исследования включали тщательное изучение транскрипционных профилей как патогенной сальмонеллы, так и клеток человека, которые они атакуют, а также профилей экспрессии белков в клетках человека для измерения влияния среды космического полета на динамику взаимоотношений патоген-хозяин.
Для этого исследователи использовали революционный метод, известный как двойной RNA-Seq, технологию глубокого секвенирования для оценки поведения хозяина и патогена в условиях микрогравитации в процессе инфицирования и сравнили его с предыдущими экспериментами, проведенными командой на борту Спейс шаттл. Данные о хозяине и патогенах, полученные в ходе экспериментов в космосе, сравнивались с данными, полученными при выращивании клеток на Земле в идентичных аппаратных и культуральных условиях (например, среда, температура).
Более ранние исследования Никерсон и коллег показали, что выращенные на земле культуры сальмонелл, в космосе продемонстрировали глобальные изменения в транскрипционной и протеомной экспрессии, повышенную вирулентность и повышенную стрессоустойчивость - результаты, аналогичные тем, которые были получены в ходе их экспериментов на кораблях Спейс шаттл STS-115 и STS-123. Однако эти предыдущие исследования в космосе проводились тогда, когда в космическом полете выращивалась только сальмонелла, а процесс инфицирования - когда бактерии возвращались на Землю.
В новом исследовании, напротив, впервые исследовалась культура человеческих клеток инфицированных патогеном во время космического полета, что открывает уникальное окно в процесс инфицирования. Эксперимент, получивший название STL-IMMUNE, был частью модуля культуры клеток, перевозившегося на борту STS-131, одного из последних четырех Спейс шаттлов.
Эпителиальные клетки кишечника человека отправлялись в космос (и параллельно поддерживались в лаборатории космического центра им. Кеннеди для наземного контроля) в трехмерных (3-D) системах культивирования тканей, называемых половолоконными биореакторами. Каждый из них содержал сотни крошечных пористых волокон, покрытых коллагеном, на поверхность которых прикреплялись и росли клетки кишечника. Эти биореакторы поддерживались в Модуле Культуры Клеток - автоматизированной аппаратной системе, которая прокачивала теплую, насыщенную кислородом клеточную культуральную среду через волокна, чтобы поддерживать клетки в здоровом состоянии, пока они не будут готовы к инфицированию сальмонеллой. Оказавшись на орбите, астронавты на борту STS-131 активировали аппаратуру. Через одиннадцать дней клетки S. typhimurium были автоматически введены в половолоконные биореакторы, где они столкнулись со своей мишенью - слоем эпителиальных клеток человека.
РНК-Seq и протеомные профили показали значительные различия между неинфицированными культурами эпителия кишечника в космосе и на Земле. Эти изменения коснулись основных белков, важных для структуры клеток, а также генов, важных для поддержания кишечного эпителиального барьера, дифференцировки клеток, пролиферации, заживления ран и рака. На основании их профилей неинфицированные клетки, подвергшиеся пребыванию в космосе, могут демонстрировать пониженную способность к пролиферации по сравнению с наземными контрольными культурами.
Эпителиальные клетки кишечника человека действуют как дозорные врожденной иммунной функции. Результаты эксперимента показали, что космический полет может привести к глобальным изменениям транскриптома и протеома эпителиальных клеток человека, как инфицированных, так и не инфицированных.
В ходе космического полета в ответ на инфекцию в клетках кишечника были изменены 27 транскриптомов РНК, что еще раз подтвердило уникальное влияние среды космического полета на взаимодействие хозяина и патогена. Исследователи также наблюдали 35 транскриптов, которые обычно изменялись как в клетках космического, так и наземного базирования, при этом 28 генов регулировались схожим образом.
Эти результаты подтвердили, что есть подмножество биосигнатур инфекций, которые происходят на Земле, и они также происходят во время космического полета. По сравнению с неинфицированными контролями, инфицированные клетки в обеих средах демонстрировали генную регуляцию, связанную с воспалением, что является характерным эффектом инфицирования сальмонеллой. Транскрипты бактерий также были одновременно обнаружены в инфицированных клетках хозяев и указывали на регуляцию генов, связанных с патогенезом, в том числе антибиотикорезистентностью и стрессовыми реакциями.
Полученные результаты помогают проложить путь к повышению эффективности усилий по охране здоровья астронавтов, возможно, за счет использования пищевых добавок или пробиотических средств. Текущие исследования такого рода, которые будут проводиться на борту Международной космической станции и в других местах обитания в космосе, должны еще больше пролить свет на многие тайны, связанные с патогенными инфекциями и широким спектром заболеваний человека.
"До того, как мы начали это исследование, у нас были обширные данные, показывающие, что космический полет полностью перепрограммировал сальмонелл на всех уровнях, для того чтобы они могли превратиться в суперпатогенов", - говорит Баррила.
" Кроме того, мы знали, что космический полет также повлиял на некоторые важные структурные и функциональные особенности человеческих клеток, которые сальмонелла обычно эксплуатирует во время инфекций на Земле. Однако не было данных, показывающих, что произойдет, когда эти клети встретятся в микрогравитационной среде. Наше исследование показывает, что в молекулярном ландшафте эпителия кишечника происходят довольно большие изменения в ответ на космическую среду и этот глобальный ландшафт, по-видимому, еще больше меняется во время инфицирования сальмонеллой".
