"Donker genoom": de dubbelzinnige impact van ruimtevluchten op menselijke cellen

Sommige menselijke stamcellen verouderen sneller tijdens ruimtevluchten, wat wetenschappers meer inzicht geeft in de mogelijke impact van ruimtevaart op het menselijk lichaam, aldus een nieuwe studie. Stamcellen komen overal in het lichaam voor en kunnen zich zelfstandig vermenigvuldigen of zich ontwikkelen tot andere gespecialiseerde cellen, waaronder bloed-, hersen- of botcellen, voor onderhoud en herstel.

"In de ruimte functioneren stamcellen minder goed", zegt hoofdonderzoeker Catriona Jamieson, directeur van het Sanford Stem Cell Institute en hoogleraar geneeskunde aan de University of California, San Diego School of Medicine. "Ze hebben feitelijk een verminderd vermogen om zichzelf te vernieuwen of te regenereren, en dat is belangrijk om te weten voor langdurige ruimtevluchten."

Het onderzoek, dat gedeeltelijk werd gefinancierd door NASA, werd uitgevoerd tijdens vier bevoorradingsmissies naar het internationale ruimtestation ISS die SpaceX van eind 2021 tot begin 2023 uitvoerde. De bevindingen werden donderdag gepubliceerd in het tijdschrift Cell Stem Cell.

"Dit is de eerste studie die het gedrag van stamcellen in de ruimte, in een lage baan om de aarde, in realtime bekijkt", voegt Jamieson eraan toe. Hij merkt op dat dit soort onderzoek een directe impact kan hebben op de gezondheid van astronauten die zich voorbereiden op een ruimtereis. "Het is belangrijk om naar de gezondheid van stamcellen te kijken en te zien wie de grootste kans heeft om de ontberingen van de ruimte te weerstaan ​​– die stress die toeneemt, die stress die afneemt, en die stress die daar blijft."

In 2010 voerde NASA een van de eerste experimenten uit om de effecten van ruimtevluchten op stamcellen te bestuderen met behulp van de spaceshuttle Discovery. Het experiment, genaamd het Stem Cell Regeneration Experiment, onderzocht hoe microzwaartekracht het vermogen van embryonale stamcellen van muizen om andere celtypen te produceren, beïnvloedde.

In een nieuwe studie keken wetenschappers naar beenmergstamcellen die waren gedoneerd door patiënten die een heupvervangende operatie ondergingen. De stamcellen, die direct verband houden met de gezondheid van het immuunsysteem en het bloed, werden geplaatst op een steriele sponsmatrix in speciaal ontworpen bioreactoren ter grootte van een mobiele telefoon. Aan boord van het internationale ruimtestation ISS werden de cellen constant gemonitord door een systeem met kunstmatige intelligentie dat hun gezondheid in realtime kon bepalen, aldus CNN.

"Onze stamcellen moeten 80% van de tijd inactief zijn om hun volledige functie te behouden", merkt Jamieson op. Maar dat was niet het geval in de ruimte, waar microzwaartekracht en ruimtestraling hun tol eisten.

"De stamcellen werden gewekt, maar ze waren niet langer inactief en raakten functioneel uitgeput", voegde de onderzoeker eraan toe. "Als onze stamcellen uitgeput raken onder stressvolle omstandigheden zoals microzwaartekracht, kunnen ze niet goed functioneren om een ​​immuunsysteem op te bouwen."

Sommige cellen in de studie overleefden tot 45 dagen ruimtevlucht. Omdat ze actiever waren dan normaal, verbruikten ze hun energiereserves en vertoonden ze tekenen van versnelde veroudering. Hun vermogen om nieuwe cellen te genereren was ook verminderd en ze begonnen normaal gesproken verborgen delen van het DNA te activeren, zogenaamde repetitieve elementen of het "donkere genoom", aldus Jamieson.

"Als we onder stress staan, echt onder stress, activeren we deze herhalende elementen", zegt Jamieson. "Dit zijn retrovirussen die duizenden jaren geleden ons genoom zijn binnengedrongen en 55 procent van ons DNA uitmaken. Ze brengen stamcellen in een dodelijke spiraal. De cellen staan ​​gewoon onder druk. Ze verkeren in een crisis. Ze verouderen te snel."

Het is vergelijkbaar met de stamcelstress die Jamison als arts ziet in de cellen van patiënten met preleukemische aandoeningen. Ze probeert te voorkomen dat deze cellen zich ontwikkelen tot volwaardige leukemie, een vorm van bloedkanker.

Jamieson, een veteraan op het gebied van ruimte-stamcelonderzoek die tot nu toe aan negen missies heeft deelgenomen, is van plan om in de toekomst studies uit te voeren waarin hij zal kijken naar praktische maatregelen om het verouderingsproces tegen te gaan.

"We kunnen deze bioreactoren, of stamcelgezondheidsavatars, daadwerkelijk gebruiken om te voorspellen welke het waarschijnlijk goed zullen doen en welke het waarschijnlijk extreem slecht zullen doen in de ruimte – en tegenmaatregelen ontwikkelen", voegde ze eraan toe, verwijzend naar aanstaande klinische proeven met potentiële medicijnen om de effecten van deze donkere genomische activiteit tegen te gaan.

Het goede nieuws is dat stamcellen zich kunnen herstellen van versnelde veroudering zodra een astronaut terugkeert naar de aarde, volgens voorlopige resultaten van een apart, aankomend onderzoek. Het herstel duurt echter ongeveer een jaar, aldus CNN.

Het onderzoek zou ook gunstige effecten kunnen hebben op kankerpatiënten, aangezien hun stamcellen dezelfde stressgerelateerde schade vertonen als de nieuwe studie aantoonde bij stamcellen in de ruimte. "Ik denk dat dit een belangrijk instrument voor ons is om het tempo van kankeronderzoek te versnellen", aldus Jamieson.

Voor astronauten betekenen de bevindingen dat lange vluchten de bloedsomloop en het immuunsysteem kunnen verzwakken, wat mogelijk de gezondheidsrisico's verhoogt, aldus Arun Sharma, stamcelbioloog en universitair hoofddocent biomedische wetenschappen aan het Cedars-Sinai Medical Center in Californië. Sharma, die niet betrokken was bij het onderzoek, was het met Jamieson eens dat de bevindingen wetenschappers zouden kunnen helpen het verouderingsproces te begrijpen en nieuwe behandelingen te ontwikkelen die het vertragen of omkeren.

De studie levert overtuigend bewijs voor de mogelijke effecten van straling en microzwaartekracht op stamcellen en benadrukt de potentiële gezondheidsrisico's die gepaard gaan met ruimtemissies, aldus Luis Villa-Diaz, universitair hoofddocent biologische wetenschappen en bio-engineering aan de Oakland University in Michigan. Villa-Diaz was niet betrokken bij de studie.

"Het goede nieuws is dat de kennis van de potentiële negatieve effecten van een lage baan om de aarde op veroudering en de functie van stamcellen ons richting geeft om deze problemen aan te pakken en strategieën te ontwikkelen om deze effecten te voorkomen of tegen te gaan, en om toekomstige ruimteverkenning te ondersteunen", voegde hij eraan toe. "Dit leidt vaak tot biomedische vooruitgang die kan worden toegepast op patiënten op aarde."