Desde que los humanos viajan al espacio, los astronautas han experimentado importantes efectos en la salud debido a las condiciones extremas de los vuelos espaciales, en particular la falta de gravedad.
Dos científicos de Buck lideraron un equipo que reveló por primera vez cómo la baja gravedad afecta a las células del sistema inmunológico en resolución unicelular. Como coautores principales, Christopher E. Mason, PhD, de Weill Cornell Medical College, el profesor asociado David Furman, PhD, y el profesor asociado Daniel Weiner, MD, aparecieron en la edición del 11 de junio de 2020 de K. Comunicaciones de la naturaleza Un estudio extenso sobre cómo la gravedad afecta a las células inmunes y la identificación de “nutracéuticos espaciales” para contrarrestar los efectos inusuales de la microgravedad en estas células.
“Mostramos cómo la microgravedad simulada da forma a las células inmunes y cómo los cambios de fuerza alteran la función celular a nivel unicelular”, dijo Winer. “Este nivel de resolución es nuevo y apasionante para comprender los efectos de la microgravedad en las células”.
Utilizando células en microgravedad simulada, combinadas con datos de vuelos espaciales de astronautas en la Estación Espacial Internacional y ratones, los investigadores crearon una imagen completa de cómo las diferentes células del sistema inmunológico en la sangre periférica se moldean debido a la baja gravedad. Estas células incluyen linfocitos y monocitos, que son actores importantes en la inmunidad.
La investigación tiene implicaciones potenciales para el envejecimiento inmunológico en la Tierra porque los cambios observados durante el envejecimiento son similares a los observados durante los viajes espaciales.
El equipo también describe una vía para identificar compuestos que pueden revertir los efectos de la gravedad cercana a cero y muestra que uno de los compuestos, la quercetina, puede inducirse mediante vuelos espaciales. Promete reducir la pérdida y el envejecimiento normal de la Tierra.
“Nuestro trabajo proporciona un medio para comprender mejor cómo y por qué cambia el sistema inmunológico en microgravedad simulada y vuelos espaciales”, dijo Furman. “También proporcionamos una manera de desarrollar contramedidas para mantener la inmunidad general en estas condiciones extremas”.
Los astronautas en órbita terrestre baja, como los de la Estación Espacial Internacional, son propensos a sufrir problemas del sistema inmunológico, particularmente infecciones, reactivación de virus latentes y sensibilidades cutáneas. Estas reacciones también ocurren en vuelos espaciales de corta duración.
Estudios anteriores que utilizaron condiciones de microgravedad reales o simuladas han detectado diversas disfunciones de las células inmunitarias. Sin embargo, los mecanismos, genes y vías subyacentes que explican la disfunción inmune en microgravedad no estaban en gran medida claros, dijeron los investigadores. Querían entender qué estaba sucediendo a nivel celular para explicar los cambios.
El equipo, dirigido por los coautores del estudio, el investigador postdoctoral Buck Fei Wu, PhD, y el estudiante graduado Hexin Du, examinó en profundidad cómo 25 horas de microgravedad simulada afectarían el sistema inmunológico de las células mononucleares de sangre periférica humana, entre las cuales se encuentran las muestras. Se utilizan 27 donantes humanos sanos. 20 y 46 años. Para simular un entorno de gravedad casi nula, el equipo cultivó células dentro de un recipiente de pared giratoria, un dispositivo desarrollado por la NASA para simular condiciones de microgravedad.
Para explorar los cambios causados por la baja gravedad, el equipo utilizó una variedad de técnicas, incluida la secuenciación y la microscopía de súper resolución. Luego validaron sus hallazgos comparando sus datos con estudios espaciales en humanos y ratones, incluida la misión JAXA (Estudio del epigenoma libre de células), la misión Inspiration 4 de SpaceX, el Estudio de los Gemelos de la NASA y los bazos de ratones alojados en la Estación Espacial Internacional.
“Curiosamente, los cambios en las fuerzas mecánicas parecen regular la función de las células inmunes”, dijo Winer, cuyo interés en estudiar la medicina espacial surgió de su incursión en el campo emergente de la mecanoinmunología, o las fuerzas ambientales sobre las células inmunes. “Hay partes de la astronomía que están relacionadas con la mecanoinmunología, pero ésta está surgiendo como un nuevo campo que allana el camino para una mejor comprensión de cómo sobrevive el sistema inmunológico en el espacio”, afirmó.
Después de identificar varios genes y vías bioquímicas afectadas por la microgravedad, el equipo quería ver si podían encontrar medicamentos o suplementos específicos que pudieran proteger las células inmunitarias. Para ayudar en su búsqueda, utilizaron tecnología de aprendizaje automático desarrollada por Furman, que puede detectar más de 2 millones de interacciones entre genes y diversos medicamentos y alimentos.
Identificaron docenas de compuestos potenciales y eligieron uno, el pigmento vegetal quercetina (que se encuentra comúnmente en cebollas rojas, uvas, ciruelas, manzanas y cítricos) para explorar más a fondo porque es un antioxidante y un suplemento antienvejecimiento que está ampliamente disponible. La quercetina resultó revertir alrededor del 70% de los cambios causados por la falta de gravedad y protegió a las células del exceso de especies reactivas de oxígeno.
“Estos hallazgos describen marcadores de células inmunes alterados en microgravedad simulada, con correlaciones con la exposición a vuelos espaciales en ratones y humanos”, dijo Weiner. “Este trabajo ayuda a allanar el camino para futuras investigaciones en mecanoinmunología y astroinmunología y brinda oportunidades para desarrollar contramedidas para mantener la función celular normal en el espacio”.
Furman añadió que esta publicación establece el estándar para analizar los cambios físicos que acompañan a los viajes espaciales. “Este es el primer estudio exhaustivo que proporciona a la comunidad científica mundial un atlas para comprender la biología humana en este estado extremo”, afirma.
“Las implicaciones son enormes, más allá de los humanos en el espacio”, añade. Los investigadores están entusiasmados de explorar los cambios paralelos que ven en el envejecimiento de los humanos en la Tierra y utilizar el conocimiento para diseñar intervenciones que potencialmente podrían revertir la disfunción inmune que acompaña al envejecimiento.
