Это исследование предполагает, что наличие нормальной гравитации или гипергравитации на космической станции может помочь смягчить некоторые биологические проблемы, включая ослабленный иммунный ответ, у организмов, живущих в космосе. Поскольку у плодовых мушек механизмы иммунного ответа схожи с механизмами иммунного ответа человека, эти знания могут помочь НАСА создать специальные контрмеры для поддержания здоровья астронавтов во время длительных космических полетов к астероиду или Марсу.Знание о том, что космический полет ослабляет иммунную систему человека, полученное в результате многолетних исследований в условиях микрогравитации, привело ученых к использованию модельных организмов, похожих на людей, для проверки различных сценариев заболевания или ослабления иммунитета в космических полетах.
Модельные организмы, такие как растения, плодовые мушки или микробы, такие как дрожжи, расширяют наши представления о влиянии микрогравитации на клетки. Отправка этих организмов в космос позволяет исследовать рост и развитие, а также физиологические, психологические процессы и процессы старения без воздействия силы тяжести.«В повседневной жизни мы не понимаем, что каждый биологический, химический и физический процесс, происходящий в нашей земной среде на Земле, происходит под влиянием гравитационных сил», — объяснила Камилла Аллейн, доктор медицинских наук, помощник на космической станции. ученый-программист в Космическом центре Джонсона НАСА в Хьюстоне. «Проведение научных исследований на космической станции, таких как исследования плодовых мушек, позволяет нам удалить этот гравитационный элемент из уравнения и расширяет наши знания об этих же процессах, которые приводят к удивительным прорывам и открытиям».
Drosophila melanogaster — обыкновенная плодовая муха — использовалась в этом исследовании из-за сходных свойств иммунной функции человека, общих характеристик клеточных и гуморальных или внеклеточных жидкостей, иммунитета и сигнальных путей. Фактически, плодовая муха представляет собой такую ??отличную модель, что в 2014 году НАСА разработало новую лабораторию по плодовой мушке для продолжения исследований дрозофилы. Этот объект будет поддерживать более длительные исследования с участием нескольких поколений плодовых мух.Кимбрелл был одним из первых исследователей иммунитета дрозофилы.
Как старший научный сотрудник отдела молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Дэвисе, она привнесла иммунитет дрозофил в исследования, связанные с освоением космоса. Хотя иммунитет плодовой мухи изучался на Земле, ее иммунитет не изучался с помощью гипергравитации или космических полетов.
Кимбрелл и ее команда исследователей хотели проверить иммунный ответ плодовых мушек на изменение силы тяжести на уровне организма.«Иммунный ответ имеет центральное значение для здоровья практически всех организмов, и неудивительно, что в стрессовой космической среде происходят различные изменения в том, как человек или другие организмы могут бороться с инфекцией», — пояснил Кимбрелл. «Чтобы попытаться понять эти изменения, моя группа использовала простую плодовую мушку, хорошо изученную по ее иммунному ответу на Земле, в качестве модели, помогающей разобраться на клеточном уровне, что происходит с иммунным ответом, когда организм находится в космосе ".Существует два основных сигнальных пути, Toll и Imd, которые действуют как посредники иммунного ответа на грибковые и бактериальные инфекции у плодовых мушек.
У людей аналоги Toll известны как Toll-подобные рецепторы (TLR), поскольку команда, получившая Нобелевскую премию 2011 года, впервые обнаружила ответ Toll-пути на иммунитет у плодовых мушек. Люди и другие млекопитающие разделяют эти два пути иммунного ответа с плодовыми мушками. Учитывая это сходство, Кимбрелл исследовал иммунный ответ плодовых мух на воздействие гипергравитации, а затем и микрогравитации. Ее цель состояла в том, чтобы увидеть, какие возможные связи могут быть установлены с иммунным ответом человека во время космического полета.
Плодовые мушки подвергались воздействию гипергравитации на центрифуге в Калифорнийском университете в Дэвисе. Результаты, полученные в результате исследования гипергравитации, привели к космическому исследованию грибков, иммунитета и опухолей (FIT) во время полета космического челнока Discovery STS-121 на Международную космическую станцию ??в 2006 году. 12-дневная миссия позволила небольшой популяции плодовых мух полностью развиваться во взрослых в космосе.
Затем мухи были возвращены на Землю для дальнейшего анализа и сравнения воздействия двух экстремальных условий на эти живые организмы.Исследователи обнаружили, что гипергравитация и микрогравитация вызывают противоположные клеточные реакции в иммунитете плодовых мух.
При воздействии повышенной силы тяжести мухи реагировали на заражение грибком Beauveria bassiana, используя Toll-путь. Это прямо контрастировало с полетом мух в космосе, поскольку платный путь космических мух не реагировал на точно такой же тип грибковой инфекции.
Однако ответ пути Imd на бактерии E. coli был устойчивым у мух, подвергшихся воздействию гипергравитации и микрогравитации.«Мы обнаружили, что при одном виде инфекции у мух, выращенных в космосе, они справлялись хорошо, а при другом виде инфекции они вообще не реагировали», — сказал Кимбрелл. «Путь, который не дал ответа, путь Toll, имеет решающее значение у людей для всех видов проблем, связанных со здоровьем, как для функционирования, так и для чрезмерного функционирования. Ответ Toll-пути (TLR4) участвует в сепсисе, который все еще остается большая проблема в здоровье человека ».
Фактически, когда мухи, инфицированные грибком, подвергались воздействию повышенной силы тяжести, они выживали значительно лучше, чем мухи с той же инфекцией при нормальной гравитации, что свидетельствует об усилении их реакции на Toll-путь. Исключением из усиленного ответа Toll-пути в условиях гипергравитации были плодовые мушки с мутантным геном yuri gagarin. Этот мутантный мутант иммунного ответа дрозофилы, изученный на Земле, был использован для различения реакции хозяина и грибка на гравитацию. Мутант назван в честь первого человека в космосе, космонавта Юрия Гагарина, потому что ему трудно воспринимать гравитационные поля.
Мутантный иммунный ответ на грибковую инфекцию был одинаковым при нормальной гравитации и гипергравитации, что указывает на связь между гравитацией и иммунным ответом.Кимбрелл описал возможные последствия этого увеличения силы тяжести для иммунитета. Идея о том, что даже кратковременное воздействие повышенной силы тяжести во время поездки на американских горках может потенциально оказать положительное влияние на иммунный ответ у людей, исходит из повышения иммунитета плодовых мух во время воздействия гипергравитации.«Я пытаюсь побудить исследователей дрозофилы проводить свои исследования на космической станции, а не только изучать иммунитет или следить за нашими исследованиями», — сказал Кимбрелл. «Я думаю, что исследования в космосе очень важны.
Дальнейшее изучение исследований, в которых плодовые мухи и другие организмы развиваются в космосе и заражаются в космосе, поможет понять, что же происходит на самом деле».Кимбрелл работает над новым исследованием плодовых мух, которые, как она надеется, будут выбраны для изучения на борту космической станции в будущем.
Благодаря исследованиям, подобным исследованию группы Кимбрелла, аналогичные будущие космические исследования помогут подготовить астронавтов к длительным полетам дальше в солнечную систему, чем когда-либо прежде, и принесут лучшее понимание реакции иммунной системы на Земле.