Питър Уилям Тейлър

Училище по фармация, Университет и колеж в Лондон, Лондон, Великобритания

Резюме

Пилотираният космически полет предизвиква намаляване на имунната компетентност сред екипажа и е вероятно да причини вредни промени в състава на стомашно-чревната, назалната и дихателната бактериална флора, което води до повишен риск от инфекция. Космическата полетна среда може също да повлияе на чувствителността на микроорганизмите в космическия кораб към антибиотици, ключови компоненти на летящи медицински комплекти и може да промени характеристиките на вирулентност на бактериите и други микроорганизми, които замърсяват тъканта на Международната космическа станция и други полетни платформи. Този преглед ще разгледа въздействието на истинската и симулирана микрогравитация и други характеристики на космическата полетна среда върху поведението на бактериалните клетки във връзка с потенциала за сериозни инфекции, които могат да се появят по време на мисии до астрономически обекти извън ниската земна орбита.

Въведение

Приемащи фактори, влияещи върху податливостта на екипажа към инфекция

Тези имунни дефицити напомнят на данни от членове на експедиционния екип на Арктика и Антарктика, подводници и други, които могат да бъдат изолирани във времето и затворени в затворена среда31 и могат да бъдат неизбежна последица от дълги периоди на изолация или затвор. Съществуват редица опортюнистични патогени, включително бактерии, гъби и вируси, които зависят от намалената имунна функция, за да причинят сериозни инфекциозни заболявания, а някои от тях неизбежно ще придружават екипажа в орбита или дълбоко космоса. Основният източник на потенциална инфекция на борда на космическите кораби се осигурява от собствената бактериална флора на астронавтите. Човешкото тяло е дом на голяма и разнообразна общност от микроорганизми, наречени общо микробиом, които играят активна роля в развитието и функцията на редица физиологични процеси на гостоприемника, 32 включително организирането на имунния отговор на лигавицата.33 Тези микробни популации се състоят предимно от бактерии и се намират в кожата и в устната кухина, носните проходи, урогениталния тракт и предимно стомашно-чревния тракт. Здравословният човешки стомашно-чревен тракт съдържа сложна общност от бактерии

1000 вида, 34 и смущения от тази популация могат да доведат до проява на болести.34–36 Много от тези бактерии не могат да бъдат култивирани, но неотдавнашното развитие в метагеномната технология позволи подробен анализ на микробната флора на ГИ чрез определяне на последователността на рибозомната РНК на малки субединици гени без нужда от култура.37

Влияние на космическата полетна среда върху бактериалната физиология

Промените в кинетиката на бактериалния растеж в космоса изглежда стимулират производството на вторични метаболити. По този начин производството на антибиотик monorden от паразитната гъба Humicola fuscoatra е по-голямо, когато се отглежда на борда на мисията STS-77 на космическата совалка, отколкото в наземни проби, 54 въпреки че са използвани агарови среди. По същия начин, ходът на изработване на антибиотика актиномицин D от Streptomyces plicatus както в дефинирана, така и в сложна течна среда беше променен в сравнение със земните култури по време на полет на совалката STS-80, като повече от лекарството беше произведено през първите 12 дни в орбита .55,56 Интересното е, че полетните проби запазват способността си за спорообразуване, когато се поставят върху агарирана среда след полет, докато остатъчните наземни контроли не спорулират.

Микробно замърсяване на космически кораби

космическия

Вътрешна сложност на МКС.

Бележки: (A) Астронавтът на НАСА Дан Бърбанк, командир на експедиция 30, провежда сесия с предварителния експеримент за усъвършенствани колоиди в модула за светлинна микроскопия. (Б.) Експедиция 22 полетен инженер Тим Криймър работи с гъвкави маркучи в лабораторията на ISS в САЩ Destiny. (° С) Използване на прахосмукачка. С любезното съдействие на НАСА.

Съкращение: МКС, Международна космическа станция.

Космическа полетна среда и чувствителност към антибиотици

Ако инфекциите трябва да се появят при продължителни мисии, лечението им може да бъде компрометирано от обратимо или необратимо повишаване на антибиотичната резистентност. Tixador et al, 74 и Moatti et al, 75 накратко описват някои иначе непубликувани наблюдения, направени по време на тестовия проект на Аполо-Союз76, че бактериите, култивирани от астронавти по време на полет, са по-устойчиви от изолатите, получени от същите индивиди преди или след полета. Тези наблюдения подтикнаха проектирането и изпълнението на експерименти за определяне на антибиотичната чувствителност на изолатите на S. aureus и E. coli от назалната и GI микробиота на френския астронавт Жан-Луп Кретиен на борда на Салют 7 през юли 1982 г. като част от програмата Cytos 2 . Chrétien е извършил тези експерименти по време на орбитален полет и данните са сравнени с наземен контрол.74,77

Ултратънки срезове на Staphylococcus aureus, отглеждани като (A) наземен контрол и (Б.) по време на полет на борда на Salyut 7 от Chrétien през 1982 г. за програмата Cytos 2.

Забележка: Снимки от Tixador et al77 с разрешение от Elsevier.

Бактериален растеж при моделирана микрогравитация: вирулентност и чувствителност към антибиотици

Космическата полетна среда по своята същност е сложна, с множество променливи, които включват нула и микрогравитация, ускорение, вибрации, радиация, електромагнетизъм и допълнителни екологични натоварвания, свързани със затворената среда на космическото превозно средство, и поради това не могат да бъдат симулирани изцяло.87 факторите могат да повлияят индивидуално върху бактериалната физиология и да доведат до промени в генната експресия и поведение, но комбинираният им ефект може да се изследва само едновременно по време на действителния космически полет. Изследването на параметрите на космическия полет е ограничено от ограниченията на експериментите по време на полет, като изисквания за разработване на специализирано оборудване и ограничения, наложени върху мощността, теглото и обема. Интензивното състезание за времето на екипажа диктува, че експериментите са лесни за изпълнение с малко или никакво участие на екипажа. Тези тежки ограничения могат да бъдат преодолени в значителна степен чрез използването на наземни устройства, които симулират отделни аспекти на пространството.

Клиностатиците и други биореактори с въртяща се стена като HARV са стимулирали голямо количество изследвания за въздействието на моделираната микрогравитация върху физиологията на широк спектър от едноклетъчни85 и многоклетъчни88 клетки, включително микроорганизми. HARV, разработен в космическия център на НАСА Джонсън, 89, се състои от куха касета, напълно пълна с растежна среда, която бавно се върти по ос, успоредна на земята; при тези условия бактериите непрекъснато се суспендират в средата, попадайки през продължителна среда с ниско срязване (2), която симулира истинска микрогравитация. По този начин това устройство с ниско срязващо моделиране на микрогравитация (LSMMG) използва постоянна преориентация в суспензионна култура за ефективно обезсилване на кумулативното утаяване на частици, но не може напълно да възпроизведе едновременната липса на структурна деформация, изместване на междуклетъчните компоненти и намален трансфер на маса в извънклетъчната течност, която се случват в истинската безтегловна среда.90 Когато HARV се използва в LSMMG ориентация с оста на въртене при 25 об/мин и перпендикулярно на посоката на вектора на гравитационната сила, биореакторът симулира гравитационно поле на

0,01 × g; 91 завъртане на съда в нормална гравитационна ориентация на 90 ° спрямо перпендикуляра, оста на въртене е успоредна на гравитационния вектор, осигурявайки 1 × g контрол, който може да се изпълнява паралелно с LSMMG култури. Инженерните принципи, стоящи зад тези устройства, които създават среда със средна течност с ниско срязване, оптимизирана за култура на окачване, са описани подробно в две отлични рецензии.

Вирулентността на Yersinia pestis, чумният бацил, също е изследвана под LSMMG по отношение на неговите характеристики на вирулентност107, за да се получи представа за неговата патогенеза. LSMMG-отгледаните клетки притежават намалена HeLa клетъчна токсичност и се разпространяват по-малко от нормалното гравитационно управление в миши макрофаги клетъчна линия RAW264.7 като следствие от променена функция на система за секреция от трети тип (T3SS). По този начин, все по-голям брой доказателства предполагат, че космическите полети и симулираните условия на микрогравитация намаляват, а не увеличават способността на патогенните бактерии (а също и дрожди) да причиняват инфекции; това може да намали риска от инфекция за тези, които предприемат удължен космически полет, въпреки че мутацията на резистентни на лекарства генотипове по време на полет може да противодейства на тази презумпция. Ясно е, че в тази област трябва да се предприеме много повече работа и трябва да се постигне съгласие относно точните техники, които ще позволят смислено сравнение между бъдещите изследвания. Истинската и симулирана микрогравитация поражда уникален бактериален фенотип, който може да даде възможност за разкриване на механизмите на микробната патогенеза и взаимодействията между лекарства и бактерии, разширявайки стойността на такива изследвания в сферите на вътреболничните и придобити от общността инфекции на човека на Земята.

Космическата полетна среда и лекарствената стабилност: последици за анти-инфекциозната химиотерапия

Рискът от повърхностни и системни инфекции ще се увеличи с продължителността на мисията, 4,43,96, а високата вероятност от наранявания на очите, травми и фрактури ще изисква антибиотична профилактика. Бордовата аптека, достъпна за екипажа на МКС, е разширена и усъвършенствана по време на повече от 50 години космически полети и нейният състав отразява вероятността специфичните адаптации към микрогравитацията и рисковете за здравето, свързани с космически полети, да изискват чести терапевтични интервенции. Въпреки че членовете на екипажа на МКС обикновено прекарват 6 месеца на борда, преди да се върнат на Земята, съществуват изчерпателни планове за незабавна аварийна евакуация, ако възникне необходимост.9 Експедициите извън земната орбита ще представляват огромни предизвикателства за здравето и медицинското обслужване; лунните мисии ще продължат седмици или месеци, а експедициите на Марс ще бъдат с продължителност 2-3 години с малка или никаква възможност за евакуация на болни членове на екипажа.4

Използването на фармацевтични препарати се увеличава с продължителността на мисията. По време на ранните етапи на мисиите на космическата совалка на САЩ екипажите са изисквали> 500 индивидуални дози от 31 различни лекарства; те се прилагат предимно по орален път на 94% от астронавтите.108 Въпреки че по-голямата част от лекарствата, приемани по време на тези полети, се понасят добре и се предполага, че са ефективни,

Заключение

Рискът от сериозна инфекция за членовете на екипажа на космически полети ще нараства, докато пътуваме извън LEO и навлизаме в дълбокия космос. Способността ни да лекуваме инфекции по време на тези пътувания може да бъде нарушена от промени в човешката физиология и бактериални фенотипове, предизвикани от уникалните свойства на космическата полетна среда. Възприемчивостта на опортюнистичните патогени към конвенционалните антибиотици може да се промени под въздействието на микрогравитацията и свързаните с вирулентността характеристики на бактериите - спътниците на борда на космическия кораб - могат да се променят. Не е постигнат ясен консенсус от ограниченото количество налични данни понастоящем относно дългосрочния риск за екипажа и трябва да се предприеме повече работа, за да се получи по-ясна представа за заплахата от микроорганизмите в космоса.