Os astronautas enfrentam muitos desafios a  sua saúde, devido a s condições excepcionais dos voos espaciais. Entre eles, háuma variedade de micróbios infecciosos que podem atacar seus sistemas imunológicos suprimidos.

Agora, no primeiro estudo desse tipo, Cheryl Nickerson, a autora principal Jennifer Barrila e seus colegas descrevem a infecção de células humanas pelo pata³geno intestinal Salmonella Typhimurium durante o voo espacial . Eles mostram como o ambiente de microgravidade do voo espacial muda o perfil molecular das células intestinais humanas e como esses padraµes de expressão são alterados em resposta a  infecção. Em outro primeiro momento, os pesquisadores também foram capazes de detectarmudanças moleculares no pata³geno bacteriano enquanto dentro das células hospedeiras infectadas.

Os resultados oferecem novos insights sobre o processo de infecção e podem levar a novos manãtodos para combater patógenos invasivos durante o voo espacial e sob condições menos exa³ticas aqui na terra.

Os resultados de seus esforços aparecem na edição atual da revista Nature Publishing Group npj Microgravity .

No estudo, células epiteliais intestinais humanas foram cultivadas a bordo da missão STS-131 do a”nibus Espacial, onde um subconjunto das culturas foi infectado com Salmonella ou permaneceram como controles não infectados.

A nova pesquisa descobriu alterações globais no RNA e na expressão de protea­nas em células humanas e na expressão de RNA em células bacterianas em comparação com amostras de controle baseadas no solo e reforça as descobertas anteriores da equipe de que o voo espacial pode aumentar o potencial de doenças infecciosas.

Nickerson e Barrila, pesquisadores do Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, junto com seus colegas, tem usado o voo espacial como uma ferramenta experimental única para estudar como asmudanças nas forças físicas, como aquelas associadas ao ambiente de microgravidade, podem alterar as respostas de tanto o hospedeiro quanto o pata³geno durante a infecção. Nickerson também éprofessor da Escola de Ciências da Vida da ASU.

Em uma sanãrie anterior de estudos pioneiros de voos espaciais e ana¡logos de voos espaciais baseados em terra, a equipe de Nickerson demonstrou que o ambiente do voo espacial pode intensificar as propriedades causadoras de doenças ou a virulência de organismos patogênicos como Salmonella de maneiras que não foram observadas quando o mesmo organismo foi cultivado sob condições convencionais condições de laboratório.

Os estudos forneceram pistas sobre os mecanismos subjacentes da virulência elevada e como ela pode ser domesticada ou enganada. No entanto, esses estudos foram feitos quando apenas Salmonella foi cultivada em voos espaciais e as infecções foram feitas quando a bactanãria retornou a  Terra.

"Agradecemos a oportunidade que a NASA forneceu a  nossa equipe de estudar todo o processo de infecção em voos espaciais, o que estãofornecendo uma nova visão sobre a mecanobiologia das doenças infecciosas que podem ser usadas para proteger a saúde dos astronautas e mitigar os riscos de doenças infecciosas", disse Nickerson sobre o novo estude. "Isso se torna cada vez mais importante a  medida que fazemos a transição para missaµes de exploração humana mais longas que estãomais longe de nosso planeta."

Cepas de Salmonella conhecidas por infectar humanos continuam devastando a sociedade, como fazem desde a antiguidade, causando cerca de 1,35 milha£o de infecções transmitidas por alimentos, 26.500 hospitalizações e 420 mortes nos Estados Unidos a cada ano, de acordo com os Centros de Controle de Doena§as. O pata³geno entra no corpo humano por meio da ingestãode alimentos e águacontaminados, onde se fixa e invade o tecido intestinal. O processo de infecção éuma dança dina¢mica entre o hospedeiro e o micróbio, seu ritmo ditado pelas pistas biológicas e físicas presentes no ambiente do tecido.

Apesar de décadas de pesquisa intensiva, os cientistas ainda tem muito a aprender sobre as sutilezas da infecção patogaªnica de células humanas. Bactanãrias invasivas como a Salmonella desenvolveram contramedidas sofisticadas para as defesas humanas, permitindo-lhes florescer sob condições hostis no esta´mago e intestino humanos para escapar furtivamente do sistema imunológico , tornando-as agentes altamente eficazes de doena§as.

A questãoéde particular preocupação médica para os astronautas durante as missaµes de voos espaciais. Seu sistema imunológico e função gastrointestinal são alterados pelos rigores das viagens espaciais, enquanto os efeitos da baixa gravidade e outras varia¡veis ​​do ambiente do voo espacial podem intensificar as propriedades causadoras de doenças de micróbios que pegam carona, como a Salmonella. Essa combinação de fatores apresenta riscos aºnicos para os viajantes espaciais que trabalham centenas de quila´metros acima da terra - longe de hospitais e cuidados médicos adequados.

Amedida que a tecnologia avana§a, espera-se que as viagens espaciais se tornem mais frequentes - para exploração do Espaço, pesquisa em ciências da vida e atémesmo como atividade de lazer (para aqueles que podem pagar). Além disso, missaµes estendidas com tripulações humanas estãono horizonte para a NASA e talvez para empresas de viagens espaciais como a SpaceX, incluindo viagens a  Lua e Marte. O fracasso em manter as infecções bacterianas sob controle pode ter consequaªncias terra­veis.

No estudo atual, as células epiteliais intestinais humanas, o principal alvo da bactanãria Salmonella invasiva, foram infectadas com Salmonella durante o voo espacial. Os pesquisadores estavam interessados ​​em examinar como o cena¡rio do voo espacial afetava a transcrição do DNA humano e bacteriano em RNA, bem como a expressão do conjunto resultante de protea­nas humanas produzidas a partir do ca³digo do RNA, produtos de um processo conhecido como tradução.

A pesquisa envolveu o exame minucioso dos perfis de transcrição da Salmonella patogaªnica e das células humanas que elas atacam, bem como os perfis de expressão de protea­nas das células humanas para avaliar os efeitos do ambiente de voo espacial na dina¢mica hospedeiro-pata³geno.

Para conseguir isso, os pesquisadores usaram um manãtodo revoluciona¡rio conhecido como dual RNA-Seq, que aplicou a tecnologia de sequenciamento profundo para permitir a avaliação do comportamento do hospedeiro e do pata³geno sob microgravidade durante o processo de infecção e permitiu uma comparação com os experimentos anteriores da equipe realizados a bordo do a´nibus espacial .

Os dados do hospedeiro e do pata³geno recuperados de experimentos de voo espacial foram comparados com aqueles obtidos quando as células foram cultivadas na Terra em hardware e condições de cultura idaªnticas (por exemplo, meio, temperatura).

Estudos anteriores de Nickerson e seus colegas demonstraram que as culturas de voos espaciais ana¡logas a  base de Salmonella exibirammudanças globais em sua expressão transcricional e protea´mica (protea­na), aumento da virulência e melhor resistência ao estresse - descobertas semelhantes a s produzidas durante seus experimentos no STS-115 e missaµes do a´nibus espacial STS-123.

No entanto, esses estudos de voos espaciais anteriores foram feitos quando apenas Salmonella foi cultivada em voos espaciais e as infecções foram feitas quando as bactanãrias foram devolvidas a  Terra.

Em contraste, o novo estudo explora, pela primeira vez, uma co-cultura de células humanas e patógenos durante o voo espacial, fornecendo uma janela única para o processo de infecção. O experimento, denominado STL-IMMUNE, fazia parte da carga útil Space Tissue Loss transportada a bordo do STS-131, uma das últimas quatro missaµes do a”nibus Espacial antes de sua retirada.

As células epiteliais intestinais humanas foram lascadas no espaço (ou mantidas em um laboratório no Centro Espacial Kennedy para controles de solo) em sistemas de cultura de tecidos tridimensionais (3-D) chamados biorreatores de fibra oca. Cada um dos biorreatores de fibra oca continha centenas de fibras minaºsculas e porosas do tipo palha, revestidas com cola¡geno, sobre as quais as células intestinais se aderiam e cresciam. Esses biorreatores eram mantidos no Ma³dulo de Cultura de Canãlulas, um sistema de hardware automatizado que bombeava meios de cultura de células oxigenados e aquecidos atravanãs das fibras minaºsculas para manter as células sauda¡veis ​​e crescendo atéque estivessem prontas para a infecção por Salmonella.

Uma vez em a³rbita, os astronautas a bordo do STS-131 ativaram o hardware. Onze dias depois, células de S. Typhimurium foram injetadas automaticamente em um subconjunto de biorreatores de fibra oca, onde encontraram seu alvo - uma camada de células epiteliais humanas.

O RNA-Seq e os perfis protea´micos mostraram diferenças significativas entre as culturas epiteliais intestinais não infectadas no espaço e na terra. Essasmudanças envolveram protea­nas importantes para a estrutura celular, bem como genes importantes para a manutenção da barreira epitelial intestinal, diferenciação celular, proliferação, cicatrização de feridas e ca¢ncer. Com base em seus perfis, as células não infectadas expostas a voos espaciais podem apresentar uma capacidade reduzida de proliferação, em relação a s culturas de controle terrestre.

As células epiteliais intestinais humanas atuam como sentinelas cra­ticas da função imune inata. Os resultados do experimento mostraram que o voo espacial pode causarmudanças globais no transcriptoma e no proteoma de células epiteliais humanas, tanto infectadas quanto não infectadas.

Durante o voo espacial, 27 transcritos de RNA foram exclusivamente alterados nas células intestinais em resposta a  infecção, mais uma vez estabelecendo a influaªncia única do ambiente do voo espacial na interação pata³geno-hospedeiro. Os pesquisadores também observaram 35 transcrições que eram comumente alteradas em células baseadas no espaço e no solo, com 28 genes regulados na mesma direção. Essas descobertas confirmaram que pelo menos um subconjunto das bioassinaturas de infecção que são conhecidas por ocorrer na Terra também ocorrem durante voos espaciais. Em comparação com controles não infectados, as células infectadas em ambos os ambientes exibiram regulação gaªnica associada a  inflamação, um efeito caractera­stico da infecção por Salmonella.

Os transcritos bacterianos também foram detectados simultaneamente nas células hospedeiras infectadas e indicaram a regulação positiva de genes associados a  patogaªnese, incluindo resistência a antibia³ticos e respostas ao estresse.

As descobertas ajudam a preparar o caminho para esforços aprimorados para proteger a saúde dos astronautas, talvez por meio do uso de suplementos nutricionais ou micróbios probia³ticos. Estudos em andamento desse tipo, a serem realizados a bordo da Estação Espacial Internacional e outros habitats espaciais, devem iluminar ainda mais os muitos mistanãrios associados a  infecção patogaªnica e a  ampla gama de doenças humanas pelas quais são responsa¡veis.

"Antes de comea§armos este estudo, ta­nhamos dados extensos mostrando que o voo espacial reprogramado completamente a Salmonella em todos os na­veis para se tornar um pata³geno melhor", disse Barrila. "Separadamente, saba­amos que o voo espacial também impactou várias caracteri­sticas estruturais e funcionais importantes das células humanas que Salmonella normalmente explora durante infecções na Terra. No entanto, não havia dados mostrando o que aconteceria quando ambos os tipos de células se encontrassem no ambiente de microgravidade durante a infecção. estudo indica que existem algumasmudanças muito grandes na paisagem molecular do epitanãlio intestinal em resposta ao voo espacial, e esta paisagem global parece ser alterada ainda mais durante a infecção com Salmonella. "