Les astronautes sont confrontés à de nombreux défis pour leur santé, en raison des conditions exceptionnelles des vols spatiaux. Parmi ceux-ci se trouvent une variété de microbes infectieux qui peuvent attaquer leur système immunitaire affaibli.

Maintenant, dans la première étude du genre, Cheryl Nickerson, L'auteur principal Jennifer Barrila et ses collègues décrivent l'infection de cellules humaines par le pathogène intestinal Salmonella Typhimurium pendant les vols spatiaux. Ils montrent comment l'environnement de microgravité des vols spatiaux modifie le profil moléculaire des cellules intestinales humaines et comment ces modèles d'expression sont encore modifiés en réponse à l'infection. Dans une autre première, les chercheurs ont également pu détecter des changements moléculaires dans l'agent pathogène bactérien à l'intérieur des cellules hôtes infectées.

Les résultats offrent de nouvelles perspectives sur le processus d'infection et peuvent conduire à de nouvelles méthodes de lutte contre les agents pathogènes invasifs pendant les vols spatiaux et dans des conditions moins exotiques ici sur terre.

Les résultats de leurs efforts apparaissent dans le numéro actuel de la revue Nature Publishing Group npj Microgravité .

Contrôle de mission

Dans l'étude, des cellules épithéliales intestinales humaines ont été cultivées à bord de la mission de la navette spatiale STS-131, où un sous-ensemble des cultures était soit infecté par Salmonella, soit resté en tant que témoins non infectés.

La nouvelle recherche a découvert des altérations globales de l'expression de l'ARN et des protéines dans les cellules humaines et de l'expression de l'ARN dans les cellules bactériennes par rapport aux échantillons de contrôle au sol et renforce les conclusions précédentes de l'équipe selon lesquelles les vols spatiaux peuvent augmenter le potentiel de maladies infectieuses.

Nickerson et Barrila, chercheurs du Centre de Biodesign pour la Microbiomique Fondamentale et Appliquée, avec leurs collègues, utilisent les vols spatiaux comme un outil expérimental unique pour étudier comment les changements des forces physiques, comme celles associées à l'environnement en microgravité, peut altérer les réponses de l'hôte et du pathogène pendant l'infection. Nickerson est également professeur à l'École des sciences de la vie de l'ASU.

Dans une précédente série d'études pionnières sur les vols spatiaux et les vols spatiaux au sol, L'équipe de Nickerson a démontré que l'environnement des vols spatiaux peut intensifier les propriétés pathogènes ou la virulence d'organismes pathogènes comme Salmonella d'une manière qui n'était pas observée lorsque le même organisme était cultivé dans des conditions conventionnelles en laboratoire.

Les études ont fourni des indices sur les mécanismes sous-jacents de la virulence accrue et sur la manière dont elle pourrait être apprivoisée ou déjouée. Cependant, ces études ont été effectuées lorsque seules les salmonelles étaient cultivées dans les vols spatiaux et les infections ont été effectuées lorsque les bactéries ont été renvoyées sur Terre.

"Nous apprécions l'opportunité offerte par la NASA à notre équipe d'étudier l'ensemble du processus d'infection en vol spatial, qui fournit de nouvelles connaissances sur la mécanobiologie des maladies infectieuses qui peuvent être utilisées pour protéger la santé des astronautes et atténuer les risques de maladies infectieuses, " Nickerson dit de la nouvelle étude. "Cela devient de plus en plus important à mesure que nous passons à des missions d'exploration humaine plus longues qui sont plus éloignées de notre planète."

Sonder un adversaire familier

Les souches de Salmonella connues pour infecter les humains continuent de ravager la société, comme ils le font depuis l'antiquité, causant environ 1,35 million d'infections d'origine alimentaire, 26, 500 hospitalisations, et 420 décès aux États-Unis chaque année, selon les Centers for Disease Control. L'agent pathogène pénètre dans le corps humain par l'ingestion d'aliments et d'eau contaminés, où il se fixe et envahit le tissu intestinal. Le processus d'infection est une danse dynamique entre l'hôte et le microbe, son rythme dicté par les signaux biologiques et physiques présents dans l'environnement du tissu.

Malgré des décennies de recherches intensives, les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur les subtilités de l'infection pathogène des cellules humaines. Les bactéries invasives comme Salmonella ont développé des contre-mesures sophistiquées aux défenses humaines, leur permettant de s'épanouir dans des conditions hostiles dans l'estomac et l'intestin humains pour échapper furtivement au système immunitaire, ce qui en fait des agents très efficaces de la maladie.

La question est particulièrement préoccupante sur le plan médical pour les astronautes lors de missions spatiales. Leur système immunitaire et leur fonction gastro-intestinale sont altérés par les rigueurs des voyages spatiaux, tandis que les effets de la faible gravité et d'autres variables de l'environnement des vols spatiaux peuvent intensifier les propriétés pathogènes des microbes faisant de l'auto-stop, comme la salmonelle. Cette combinaison de facteurs présente des risques uniques pour les voyageurs spatiaux travaillant à des centaines de kilomètres au-dessus de la terre, loin des hôpitaux et des soins médicaux appropriés.

Au fur et à mesure que la technologie avance, on s'attend à ce que les voyages spatiaux deviennent plus fréquents - pour l'exploration spatiale, recherche en sciences de la vie, et même comme activité de loisir (pour ceux qui en ont les moyens). Plus loin, des missions prolongées avec des équipages humains sont à l'horizon pour la NASA et peut-être des sociétés de voyages dans l'espace comme SpaceX, y compris les voyages sur la Lune et sur Mars. Ne pas tenir les infections bactériennes à distance pourrait avoir des conséquences désastreuses.

Cacher et séquencer

Dans l'étude actuelle, cellules épithéliales intestinales humaines, la cible privilégiée des bactéries invasives Salmonella, ont été infectés par Salmonella pendant un vol spatial. Les chercheurs souhaitaient examiner comment le cadre des vols spatiaux affectait la transcription de l'ADN humain et bactérien en ARN, ainsi que l'expression de la suite résultante de protéines humaines produites à partir du code ARN, produits d'un processus appelé traduction.

La recherche a impliqué l'examen attentif des profils transcriptionnels des salmonelles pathogènes et des cellules humaines qu'elles attaquent, ainsi que les profils d'expression des protéines des cellules humaines pour évaluer les effets de l'environnement des vols spatiaux sur la dynamique hôte-pathogène.

Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé une méthode révolutionnaire connue sous le nom de dual RNA-Seq, qui a appliqué la technologie de séquençage en profondeur pour permettre leur évaluation du comportement de l'hôte et du pathogène sous microgravité pendant le processus d'infection et a permis une comparaison avec les expériences précédentes de l'équipe menées à bord de la navette spatiale.

Les données sur l'hôte et l'agent pathogène récupérées lors des expériences de vol spatial ont été comparées à celles obtenues lorsque les cellules étaient cultivées sur terre dans des conditions de matériel et de culture identiques (par exemple, médias, Température).

Terre et ciel

Des études antérieures de Nickerson et de ses collègues ont démontré que les cultures analogues de vol spatial au sol de Salmonella présentaient des changements globaux dans leur expression transcriptionnelle et protéomique (protéine), virulence accrue, et une meilleure résistance au stress - des résultats similaires à ceux produits lors de leurs expériences sur les missions de la navette spatiale STS-115 et STS-123.

Cependant, ces études antérieures sur les vols spatiaux ont été effectuées lorsque seules les salmonelles étaient cultivées dans les vols spatiaux et les infections ont été effectuées lorsque les bactéries ont été renvoyées sur Terre.

En revanche, la nouvelle étude explore pour la première fois, une co-culture de cellules humaines et d'agents pathogènes pendant les vols spatiaux, offrant une fenêtre unique sur le processus d'infection. L'expérience, appelé STL-IMMUNE, faisait partie de la charge utile Space Tissue Loss embarquée à bord de STS-131, l'une des quatre dernières missions de la navette spatiale avant sa retraite.

Les cellules épithéliales intestinales humaines ont été lancées dans l'espace (ou maintenues dans un laboratoire du Kennedy Space Center pour les contrôles au sol) dans des systèmes de culture tissulaire tridimensionnels (3-D) appelés bioréacteurs à fibres creuses. Les bioréacteurs à fibres creuses contenaient chacun des centaines de minuscules, fibres poreuses semblables à de la paille recouvertes de collagène sur lesquelles les cellules intestinales se sont attachées et se sont développées. Ces bioréacteurs ont été maintenus dans le Cell Culture Module, un système de matériel automatisé qui pompait de la chaleur, milieu de culture cellulaire oxygéné à travers les minuscules fibres pour maintenir les cellules en bonne santé et en croissance jusqu'à ce qu'elles soient prêtes à être infectées par la salmonelle.

Une fois en orbite, les astronautes à bord de STS-131 ont activé le matériel. Onze jours plus tard, Des cellules de S. Typhimurium ont été automatiquement injectées dans un sous-ensemble de bioréacteurs à fibres creuses, où ils ont rencontré leur cible, une couche de cellules épithéliales humaines.

Les profils RNA-Seq et protéomique ont montré des différences significatives entre les cultures épithéliales intestinales non infectées dans l'espace et celles sur terre. Ces changements impliquaient des protéines majeures importantes pour la structure cellulaire ainsi que des gènes importants pour le maintien de la barrière épithéliale intestinale, différenciation cellulaire, prolifération, cicatrisation des plaies et cancer. En fonction de leurs profils, les cellules non infectées exposées aux vols spatiaux peuvent présenter une capacité de prolifération réduite, par rapport aux cultures de contrôle au sol.

Infections loin de chez soi

Les cellules épithéliales intestinales humaines agissent comme des sentinelles critiques de la fonction immunitaire innée. Les résultats de l'expérience ont montré que les vols spatiaux peuvent provoquer des modifications globales du transcriptome et du protéome des cellules épithéliales humaines, à la fois infectés et non infectés.

Pendant les vols spatiaux, 27 transcrits d'ARN ont été altérés de manière unique dans les cellules intestinales en réponse à l'infection, établissant une fois de plus l'influence unique de l'environnement des vols spatiaux sur l'interaction hôte-pathogène. Les chercheurs ont également observé 35 transcrits qui étaient couramment modifiés dans les cellules spatiales et terrestres, avec 28 gènes régulés dans le même sens. Ces résultats ont confirmé qu'au moins un sous-ensemble des biosignatures d'infection connues sur Terre se produisent également pendant les vols spatiaux. Par rapport aux témoins non infectés, les cellules infectées dans les deux environnements présentaient une régulation génique associée à l'inflammation, un effet caractéristique de l'infection à Salmonella.

Des transcrits bactériens ont également été détectés simultanément dans les cellules hôtes infectées et ont indiqué une régulation positive des gènes associés à la pathogenèse, y compris la résistance aux antibiotiques et les réponses au stress.

Les résultats aident à ouvrir la voie à de meilleurs efforts pour protéger la santé des astronautes, peut-être par l'utilisation de suppléments nutritionnels ou de microbes probiotiques. Des études en cours de ce genre, à effectuer à bord de la Station spatiale internationale et d'autres habitats spatiaux, devrait éclairer davantage les nombreux mystères associés aux infections pathogènes et le large éventail de maladies humaines dont elles sont responsables.

« Avant de commencer cette étude, nous avions de nombreuses données montrant que les vols spatiaux ont complètement reprogrammé Salmonella à tous les niveaux pour devenir un meilleur agent pathogène, " dit Barrila. " Séparément, nous savions que les vols spatiaux avaient également un impact sur plusieurs caractéristiques structurelles et fonctionnelles importantes des cellules humaines que Salmonella exploite normalement lors d'infections sur terre. Cependant, il n'y avait aucune donnée montrant ce qui se passerait lorsque les deux types de cellules se rencontraient dans l'environnement de microgravité pendant l'infection. Notre étude indique qu'il y a des changements assez importants dans le paysage moléculaire de l'épithélium intestinal en réponse aux vols spatiaux, et ce paysage mondial semble être encore altéré lors de l'infection à Salmonella."