Теперь, в первом исследовании такого рода, Шерил Никерсон, ведущий автор Дженнифер Баррила и их коллеги описывают заражение человеческих клеток кишечным патогеном Salmonella Typhimurium во время космического полета. Они показывают, как микрогравитационная среда космического полета изменяет молекулярный профиль кишечных клеток человека и как эти паттерны экспрессии в дальнейшем изменяются в ответ на инфекцию. Во-первых, исследователи также смогли обнаружить молекулярные изменения бактериального патогена, находясь внутри инфицированных клеток-хозяев.
Результаты позволяют по-новому взглянуть на процесс заражения и могут привести к новым методам борьбы с инвазивными патогенами во время космического полета и в менее экзотических условиях здесь, на Земле.
Результаты их усилий опубликованы в текущем номере журнала Nature Publishing Group npj Microgravity.
Управление полетами
В ходе исследования эпителиальные клетки кишечника человека культивировали на борту космического корабля космического корабля STS-131, где часть культур была либо инфицирована сальмонеллой, либо оставалась неинфицированной контрольной группой.
Новое исследование выявило глобальные изменения в экспрессии РНК и белков в клетках человека и экспрессии РНК в бактериальных клетках по сравнению с наземными контрольными образцами и подтверждает предыдущие выводы команды о том, что космический полет может увеличить потенциал инфекционных заболеваний.
Никерсон и Баррила, исследователи из Центра биодизайна фундаментальной и прикладной микробиомики, вместе со своими коллегами использовали космический полет в качестве уникального экспериментального инструмента для изучения того, как изменения физических сил, например, связанных с микрогравитационной средой, могут изменять реакцию человека. как хозяин, так и патоген во время инфекции.
Никерсон также является профессором Школы естественных наук в АГУ.
В более ранней серии новаторских исследований космических полетов и наземных аналогов космических полетов команда Никерсона продемонстрировала, что окружающая среда космического полета может усиливать болезнетворные свойства или вирулентность патогенных организмов, таких как сальмонелла, способами, которые не наблюдались, когда тот же самый организм культивировался в обычных условиях. условия в лаборатории.
Исследования предоставили ключи к разгадке основных механизмов повышенной вирулентности и того, как ее можно приручить или перехитрить. Однако эти исследования проводились, когда в космическом полете выращивалась только сальмонелла, а заражение проводилось, когда бактерии возвращались на Землю.
«Мы ценим возможность, которую НАСА предоставило нашей команде для изучения всего процесса заражения в космическом полете, что дает новое понимание механобиологии инфекционных заболеваний, которое может быть использовано для защиты здоровья космонавтов и снижения рисков инфекционных заболеваний», – говорит Никерсон о новом учиться. "Это становится все более важным по мере того, как мы переходим к более длительным исследовательским миссиям людей, которые находятся дальше от нашей планеты."
Зондирование знакомого противника
Известно, что штаммы сальмонелл, заражающие людей, продолжают опустошать общество, как и с древних времен, вызывая около 1 человека.По данным Центров по контролю за заболеваниями, в США ежегодно 35 миллионов инфекций пищевого происхождения, 26 500 госпитализаций и 420 смертей.
Патоген проникает в организм человека через зараженную пищу и воду, где он прикрепляется и проникает в ткани кишечника. Инфекционный процесс – это динамичный танец между хозяином и микробом, его ритм определяется биологическими и физическими сигналами, присутствующими в окружающей ткани.
Несмотря на десятилетия интенсивных исследований, ученым еще предстоит многое узнать о тонкостях патогенного заражения клеток человека.
Инвазивные бактерии, такие как сальмонелла, разработали сложные контрмеры для защиты человека, позволяя им процветать во враждебных условиях в желудке и кишечнике человека и незаметно уклоняться от иммунной системы, что делает их высокоэффективными возбудителями болезней.
Этот вопрос вызывает особую озабоченность у космонавтов во время космических полетов.
Их иммунная система и функция желудочно-кишечного тракта изменяются из-за суровых условий космического полета, в то время как эффекты низкой гравитации и других переменных условий космического полета могут усилить болезнетворные свойства микробов, путешествующих автостопом, таких как сальмонелла. Эта комбинация факторов создает уникальные риски для космических путешественников, работающих на высоте сотен миль над землей, вдали от больниц и надлежащей медицинской помощи.
Ожидается, что по мере развития технологий космические путешествия станут более частыми – для исследования космоса, исследований в области наук о жизни и даже в качестве досуга (для тех, кто может себе это позволить). Кроме того, на горизонте расширенные миссии с человеческими экипажами для НАСА и, возможно, космических компаний, таких как SpaceX, включая поездки на Луну и Марс.
Неспособность сдерживать бактериальные инфекции может иметь ужасные последствия.
Hide and Seq
В текущем исследовании эпителиальные клетки кишечника человека, являющиеся основной мишенью для инвазивных бактерий сальмонеллы, были инфицированы сальмонеллой во время космического полета.
Исследователи стремились изучить, как условия космического полета влияют на транскрипцию ДНК человека и бактерий в РНК, а также на экспрессию результирующего набора человеческих белков, полученных из кода РНК, продуктов процесса, известного как трансляция.
Исследование включало тщательное изучение профилей транскрипции как патогенной сальмонеллы, так и человеческих клеток, которые они атакуют, а также профилей экспрессии белков человеческих клеток, чтобы оценить влияние условий космического полета на динамику патогенного организма-хозяина.
Для этого исследователи использовали революционный метод, известный как двойная РНК-секвенирование, в котором применялась технология глубокого секвенирования, позволяющая им оценивать поведение хозяина и патогена в условиях микрогравитации во время процесса заражения, а также возможность сравнения с предыдущими экспериментами группы, проведенными на борту космического шаттла.
Данные о хозяевах и патогенах, полученные в ходе экспериментов в космическом полете, сравнивались с данными, полученными при выращивании клеток на Земле в идентичных аппаратных средствах и условиях культивирования (e.грамм., среда, температура).
Земля и небо
Более ранние исследования Никерсон и ее коллег продемонстрировали, что наземные космические аналоги культур Salmonella демонстрируют глобальные изменения в их транскрипционной и протеомной (белковой) экспрессии, повышенную вирулентность и улучшенную устойчивость к стрессу – результаты, аналогичные результатам, полученным в ходе их экспериментов на STS- 115 и STS-123 космических челноков.
Однако эти предыдущие исследования космических полетов проводились, когда в космическом полете выращивались только сальмонеллы, а инфекции были устранены, когда бактерии были возвращены на Землю.
Напротив, новое исследование впервые исследует совместное культивирование человеческих клеток и патогена во время космического полета, обеспечивая уникальное окно в процесс заражения. Эксперимент, названный STL-IMMUNE, был частью полезной нагрузки Space Tissue Loss, перевозимой на борту STS-131, одной из последних четырех миссий космического шаттла перед его выводом на пенсию.
Клетки эпителия кишечника человека были запущены в космос (или содержались в лаборатории Космического центра Кеннеди для наземного контроля) в трехмерных (3-D) системах тканевых культур, называемых полыми волоконными биореакторами. Каждый из полых волоконных биореакторов содержал сотни крошечных пористых, похожих на соломку волокон, покрытых коллагеном, на которых прикреплялись и росли клетки кишечника.
Эти биореакторы поддерживались в модуле клеточных культур, автоматизированной аппаратной системе, которая перекачивала теплые насыщенные кислородом среды для культивирования клеток через крошечные волокна, чтобы клетки оставались здоровыми и растущими, пока они не были готовы к заражению сальмонеллой.
Оказавшись на орбите, астронавты на борту STS-131 активировали оборудование.
Одиннадцать дней спустя S. Клетки Typhimurium были автоматически введены в подмножество полых волоконных биореакторов, где они встретили свою цель – слой эпителиальных клеток человека.
РНК-Seq и протеомные профили показали значительные различия между неинфицированными культурами кишечного эпителия в космосе и земными. Эти изменения затрагивают основные белки, важные для клеточной структуры, а также гены, важные для поддержания кишечного эпителиального барьера, дифференцировки клеток, пролиферации, заживления ран и рака.
Судя по их профилям, неинфицированные клетки, подвергшиеся космическому полету, могут демонстрировать пониженную способность к пролиферации по сравнению с наземными контрольными культурами.
Инфекции вдали от дома
Клетки кишечного эпителия человека действуют как критические стражи врожденной иммунной функции.
Результаты эксперимента показали, что космический полет может вызывать глобальные изменения транскриптома и протеома эпителиальных клеток человека, как инфицированных, так и неинфицированных.
Во время космического полета 27 транскриптов РНК были однозначно изменены в клетках кишечника в ответ на инфекцию, что еще раз подтвердило уникальное влияние условий космического полета на взаимодействие хозяина и патогена. Исследователи также наблюдали 35 транскриптов, которые обычно изменялись как в космических, так и в наземных клетках, при этом 28 генов регулировались в одном направлении. Эти данные подтвердили, что по крайней мере часть биосигнатур инфекции, которая, как известно, встречается на Земле, также возникает во время космического полета.
По сравнению с неинфицированными контролями инфицированные клетки в обеих средах демонстрировали генную регуляцию, связанную с воспалением, характерный эффект инфекции сальмонеллы.
Бактериальные транскрипты также одновременно обнаруживались в инфицированных клетках-хозяевах и указывали на активацию генов, связанных с патогенезом, включая устойчивость к антибиотикам и стрессовые реакции.
Полученные данные помогают проложить путь к более активным усилиям по охране здоровья космонавтов, возможно, за счет использования пищевых добавок или пробиотических микробов. Текущие исследования такого рода, которые будут проводиться на борту Международной космической станции и других космических сред обитания, должны дополнительно пролить свет на многие загадки, связанные с патогенными инфекциями и широким спектром человеческих болезней, за которые они несут ответственность.
«До того, как мы начали это исследование, у нас были обширные данные, показывающие, что космический полет полностью перепрограммировал сальмонеллу на всех уровнях, чтобы она стала лучшим патогеном», – говорит Баррила. «Кроме того, мы знали, что космический полет также повлиял на несколько важных структурных и функциональных особенностей человеческих клеток, которые сальмонелла обычно использует во время инфекций на Земле. Однако не было данных, показывающих, что произойдет, если оба типа клеток встретятся в условиях микрогравитации во время инфекции. Наше исследование показывает, что в молекулярном ландшафте кишечного эпителия в ответ на космический полет происходят довольно большие изменения, и этот глобальный ландшафт, по-видимому, еще больше изменяется во время заражения сальмонеллой."