Los astronautas enfrentan muchos desafíos para su salud, debido a las condiciones excepcionales de los vuelos espaciales. Entre estos se encuentran una variedad de microbios infecciosos que pueden atacar su sistema inmunológico debilitado. Ahora, en el primer estudio de este tipo, Cheryl Nickerson, la autora principal Jennifer Barrila y sus colegas de profesión describen la infección de células humanas por el patógeno intestinal Salmonella Typhimurium durante los vuelos espaciales. Muestran cómo el entorno de microgravedad de los vuelos espaciales cambia el perfil molecular de las células intestinales humanas y cómo estos patrones de expresión cambian aún más en respuesta a la infección. Los investigadores también pudieron detectar cambios moleculares en el patógeno bacteriano dentro de las células huésped infectadas.
Los resultados ofrecen nuevos conocimientos sobre el proceso de infección y pueden conducir a métodos novedosos para combatir los patógenos invasores durante los vuelos espaciales y en condiciones menos exóticas aquí en la tierra. Los resultados de sus esfuerzos aparecen en la edición actual de la revista npj Microgravity de Nature Publishing Group.
En el estudio, se cultivaron células epiteliales intestinales humanas a bordo de la misión del transbordador espacial STS-131, donde un subconjunto de los cultivos se infectó con Salmonella o permanecieron como controles no infectados. La nueva investigación descubrió alteraciones globales en la expresión de ARN y proteínas en células humanas y la expresión de ARN en células bacterianas en comparación con muestras de control terrestres, y refuerza los hallazgos anteriores del equipo de que los vuelos espaciales pueden aumentar el potencial de las enfermedades infecciosas.
Las bacterias invasoras como la Salmonella han desarrollado sofisticadas contramedidas para las defensas humanas
Nickerson y Barrila, investigadoras del Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, junto con sus compañeros investigadores, han estado utilizando los vuelos espaciales como una herramienta experimental única para estudiar cómo los cambios en las fuerzas físicas, como las asociadas con el entorno de microgravedad, pueden alterar las respuestas de tanto el huésped como el patógeno durante la infección. Nickerson también es profesora en la Facultad de Ciencias de la Vida en la Universidad Estatal de Arizona (ASU).
En una serie anterior de estudios análogos de vuelos espaciales pioneros y en la Tierra, el equipo de Nickerson demostró que el entorno de los vuelos espaciales puede intensificar las propiedades causantes de enfermedades o la virulencia de organismos patógenos como Salmonella de formas que no se observaron cuando el mismo organismo se cultivó bajo condiciones convencionales.
Los estudios proporcionaron pistas sobre los mecanismos subyacentes del aumento de la virulencia y cómo podría ser rebajado o burlado. Sin embargo, estos estudios se realizaron cuando se cultivó Salmonella en vuelos espaciales y las infecciones se realizaron cuando las bacterias regresaron a la Tierra.
«Agradecemos la oportunidad que la NASA brindó a nuestro equipo para estudiar todo el proceso de infección en los vuelos espaciales, lo que proporciona una nueva perspectiva de la mecanobiología de las enfermedades infecciosas que se puede utilizar para proteger la salud de los astronautas y mitigar los riesgos de enfermedades infecciosas«, afirma Nickerson sobre el nuevo estudio. «Esto se vuelve cada vez más importante a medida que hacemos la transición a misiones de exploración humana más largas y alejadas de nuestro planeta«.
Sondear a un adversario conocido
Las cepas de Salmonella que se sabe infectan a los humanos continúan devastando sociedades como lo han hecho desde la antigüedad. Se estima que afecta anualmente a decenas de millones de personas de todo el mundo y provoca más de cien mil muertes. El patógeno ingresa al cuerpo humano a través de la ingestión de alimentos y agua contaminados, donde se adhiere e invade el tejido intestinal. El proceso de infección es una danza dinámica entre el huésped y el microbio, su ritmo dictado por las señales biológicas y físicas presentes en el entorno del tejido.
A pesar de décadas de intensa investigación, los científicos todavía tienen mucho que aprender sobre las sutilezas de la infección patógena de las células humanas. Las bacterias invasoras como la Salmonella han desarrollado sofisticadas contramedidas para las defensas humanas, lo que les permite prosperar en condiciones hostiles en el estómago y el intestino humanos para evadir sigilosamente el sistema inmunológico, lo que las convierte en agentes altamente eficaces de enfermedades.
El problema es de particular preocupación médica para los astronautas durante las misiones de vuelos espaciales. Su sistema inmunológico y su función gastrointestinal se ven alterados por los rigores de los viajes espaciales, mientras que los efectos de la baja gravedad y otras variables del entorno de los vuelos espaciales pueden intensificar las propiedades causantes de enfermedades de los microbios que hacen autostop, como la Salmonella. Esta combinación de factores plantea riesgos únicos para los viajeros espaciales que trabajan a cientos de kilómetros sobre la tierra, lejos de los hospitales y de atención médica adecuada.
A medida que avanza la tecnología, se espera que los viajes espaciales se vuelvan más frecuentes, para la exploración espacial, la investigación en ciencias de la vida e incluso como una actividad de ocio (para aquellos que puedan pagarla). Además, las misiones extendidas con tripulaciones humanas están en el horizonte de la NASA y quizás de compañías de viajes espaciales como SpaceX, incluidos viajes a la Luna y Marte. Un fracaso para mantener las infecciones bacterianas a raya podría tener consecuencias nefastas.
Ocultar y secuenciar
En el estudio actual, las células epiteliales intestinales humanas, el principal objetivo de la bacteria invasora Salmonella, se infectaron durante el vuelo espacial. Los investigadores estaban ansiosos por examinar cómo el entorno del vuelo espacial afectaba la transcripción del ADN humano y bacteriano en ARN, así como la expresión del conjunto resultante de proteínas humanas producidas a partir del código de ARN, productos de un proceso conocido como traducción.
La investigación implicó el examen detenido de los perfiles transcripcionales tanto de la Salmonella patógena como de las células humanas a las que atacan, así como los perfiles de expresión de proteínas de las células humanas para medir los efectos del entorno de los vuelos espaciales sobre la dinámica huésped-patógeno.
Para lograr esto, los investigadores utilizaron un método revolucionario conocido como dual RNA-Seq, que aplicó tecnología de secuenciación profunda para permitir su evaluación del comportamiento del huésped y patógeno en microgravedad durante el proceso de infección y permitió una comparación con los experimentos previos del equipo realizados a bordo del transbordador espacial.
Los datos del huésped y del patógeno recuperados de los experimentos de vuelos espaciales se compararon con los obtenidos cuando las células se cultivaron en la tierra en condiciones idénticas de hardware y cultivo (por ejemplo, medio y temperatura).
Diferencias entre la Tierra y el espacio
Estudios anteriores de Nickerson y sus compañeros demostraron que los cultivos análogos de los vuelos espaciales terrestres de Salmonella exhibieron cambios globales en su expresión transcripcional y proteómica (proteína), mayor virulencia y mejor resistencia al estrés, hallazgos similares a los producidos durante sus experimentos con STS-115 y misiones del transbordador espacial STS-123.
Sin embargo, estos estudios previos de vuelos espaciales se realizaron cuando sólo se cultivó Salmonella en vuelos espaciales y las infecciones se realizaron cuando las bacterias regresaron a la Tierra.
Por el contrario, el nuevo estudio explora por primera vez un cocultivo de células humanas y patógenos durante el vuelo espacial, lo que proporciona una ventana única al proceso de infección. El experimento, llamado STL-IMMUNE, fue parte de la carga útil de pérdida de tejido espacial transportada a bordo del STS-131, una de las últimas cuatro misiones del transbordador espacial antes de su retiro.
Las células epiteliales intestinales humanas se lanzaron al espacio (o se mantuvieron en un laboratorio en el Centro Espacial Kennedy para controles terrestres) en sistemas de cultivo de tejidos tridimensionales (3-D) llamados biorreactores de fibra hueca. Cada uno de los biorreactores de fibra hueca contenía cientos de diminutas fibras porosas parecidas a una paja recubiertas de colágeno sobre las que se unían y crecían las células intestinales. Estos biorreactores se mantuvieron en el Módulo de cultivo celular, un sistema de hardware automatizado que bombeaba medio de cultivo celular oxigenado y tibio a través de las diminutas fibras para mantener las células sanas y en crecimiento hasta que estuvieran listas para la infección con Salmonella.
Una vez en órbita, los astronautas a bordo del STS-131 activaron el hardware. Once días después, se inyectaron automáticamente células de S. Typhimurium en un subconjunto de biorreactores de fibra hueca, donde encontraron su objetivo: una capa de células epiteliales humanas.
Los perfiles proteómicos y de RNA-Seq mostraron diferencias significativas entre los cultivos epiteliales intestinales no infectados en el espacio y los de la tierra. Estos cambios involucraron proteínas importantes para la estructura celular, así como genes importantes para mantener la barrera epitelial intestinal, la diferenciación celular, la proliferación, la cicatrización de heridas y el cáncer. Según sus perfiles, las células no infectadas expuestas a vuelos espaciales pueden mostrar una capacidad de proliferación reducida, en relación con los cultivos de control terrestre.
Infecciones lejos de casa
Las células epiteliales intestinales humanas actúan como centinelas fundamentales de la función inmune innata. Los resultados del experimento mostraron que los vuelos espaciales pueden provocar cambios globales en el transcriptoma y el proteoma de las células epiteliales humanas, tanto infectadas como no infectadas.
Durante el vuelo espacial, 27 transcripciones de ARN se alteraron de forma única en las células intestinales en respuesta a la infección, estableciendo una vez más la influencia única del entorno del vuelo espacial en la interacción huésped-patógeno. Los investigadores también observaron 35 transcripciones que comúnmente se alteraron tanto en células espaciales como terrestres, con 28 genes regulados en la misma dirección. Estos hallazgos confirmaron que al menos un subconjunto de las biofirmas de infección que se sabe que ocurren en la Tierra también ocurren durante los vuelos espaciales. En comparación con los controles no infectados, las células infectadas en ambos entornos mostraron una regulación genética asociada con la inflamación, un efecto característico de la infección por Salmonella.
Las transcripciones bacterianas también se detectaron simultáneamente dentro de las células huésped infectadas e indicaron una regulación positiva de los genes asociados con la patogénesis, incluida la resistencia a los antibióticos y las respuestas al estrés.
Los hallazgos ayudan a allanar el camino para mejorar los esfuerzos para salvaguardar la salud de los astronautas, quizás mediante el uso de suplementos nutricionales o microbios probióticos. Estudios en curso de este tipo, que se realizarán a bordo la Estación Espacial Internacional y otros hábitats espaciales, deberían iluminar aún más los muchos misterios asociados con las infecciones patógenas y la amplia gama de enfermedades humanas de las que son responsables.
«Antes de comenzar este estudio, teníamos muchos datos que mostraban que los vuelos espaciales reprogramaban completamente la Salmonella en todos los niveles para convertirse en un mejor patógeno«, comenta Barrila. «Por separado, sabíamos que los vuelos espaciales también afectaban varias características estructurales y funcionales importantes de las células humanas que Salmonella normalmente explota durante las infecciones en la Tierra. Sin embargo, no había datos que mostraran lo que sucedería cuando ambos tipos de células se encontraran en el entorno de microgravedad durante la infección. Nuestro estudio indica que hay algunos cambios bastante importantes en el panorama molecular del epitelio intestinal en respuesta a los vuelos espaciales, y este panorama global parece alterarse aún más durante la infección por Salmonella«.
Fuente: npj Microgravity.
