Az űrrepülés hatása a baktériumok virulenciájára és az antibiotikum-érzékenységre

Peter William Taylor

Gyógyszerésziskola, University University London, London, Egyesült Királyság

Absztrakt

Az irányított űrrepülés az immunképesség csökkenését idézi elő a személyzet körében, és valószínűleg káros változásokat okoz a gyomor-bélrendszeri, orr- és légzőszervi baktériumflóra összetételében, ami fokozott fertőzésveszélyhez vezet. Az űrrepülés környezete szintén befolyásolhatja az űrhajón belüli mikroorganizmusok érzékenységét az antibiotikumokkal, a repült orvosi készletek kulcsfontosságú összetevőivel szemben, és módosíthatja a baktériumok és más mikroorganizmusok virulenciajellemzőit, amelyek szennyezik a Nemzetközi Űrállomás és más repülési platformok szövetét. Ez az áttekintés az űrrepülési környezet valódi és szimulált mikrogravitációjának és egyéb jellemzőinek a baktériumsejtek viselkedésére gyakorolt hatását veszi figyelembe, tekintettel az alacsony földpályán túli csillagászati tárgyakba irányuló küldetések során megjelenő súlyos fertőzések lehetőségére.

Bevezetés

Gazdafaktorok, amelyek befolyásolják a személyzet fertőzésre való hajlamát

Ezek az immunhiányok az északi-sarkvidéki és az antarktiszi expedíciós csoport tagjainak, tengeralattjáróknak és másoknak az adatokra emlékeztetnek, akik időben elszigetelődhetnek és zárt környezetbe zárhatók31, és a hosszú elszigeteltség vagy bezártság elkerülhetetlen következményei lehetnek. Számos opportunista kórokozó létezik, köztük baktériumok, gombák és vírusok, amelyek az immunfunkció csökkenésétől függően súlyos fertőző betegségeket okozhatnak, és közülük néhányuk elkerülhetetlenül pályára vagy a mélyűrbe kíséri a személyzetet. Az űrhajók fedélzetén a potenciális fertőzés fő forrását az űrhajósok saját baktériumflórája biztosítja. Az emberi test egy nagy és változatos mikroorganizmus-közösségnek ad otthont, amelyeket együttesen mikrobiomnak neveznek, és amelyek aktív szerepet játszanak a gazdaszervezet számos élettani folyamatának kialakulásában és működésében, 32 beleértve a nyálkahártya immunválaszának összehangolását is. Ezek a mikrobiális populációk nagyrészt baktériumokból állnak, és a bőrön és a szájüregben, az orrjáratokban, az urogenitális traktusban és főleg a gyomor-bél traktusban (GI) találhatók. Az egészséges emberi felnőtt GI traktus egy komplex baktériumközösséget tartalmaz, amely tartalmaz

1000 faj, 34 és ennek a populációnak a perturbációja a betegség megnyilvánulását eredményezheti. 34–36 Ezen baktériumok közül sok nem tenyészthető, de a metagenomikai technológia legújabb fejleményei lehetővé tették a GI mikrobiális flóra részletes elemzését kis alegységű riboszomális RNS szekvencia meghatározásával. gének tenyésztés nélkül.37

Az űrrepülés környezetének hatása a baktériumélettanra

Úgy tűnik, hogy a baktériumok növekedési kinetikájának változásai az űrben stimulálják a másodlagos metabolitok termelését. Így a Humicola fuscoatra parazita gomba által termelt monordén antibiotikum nagyobb volt az STS-77 űrsikló misszió fedélzetén termesztve, mint a földi mintákban, 54 annak ellenére, hogy agar táptalajt alkalmaztak. Hasonlóképpen, az aktinomicin D antibiotikum Streptomyces plicatus által történő kidolgozásának időbeli lefutása mind meghatározott, mind összetett folyékony közegben megváltozott, összehasonlítva a szárazföldi kultúrákkal az Shuttle STS-80 repülés közben, és a gyógyszer nagyobb része az első 12 napban termelődött a pályán. .55,56 Érdekes, hogy a repülési minták megtartották sporulációs képességüket, amikor agar közepes utólagos repülés közben terítették őket, míg a maradék talajkontrollok nem sporuláltak.

Az űrhajók mikrobiális szennyeződése

Az ISS belső összetettsége.

Megjegyzések: (A) Dan Burbank, a NASA űrhajósa, a 30-as expedíció parancsnoka a fénymikroszkópos modulnál tart egy előzetes haladó kolloid kísérletet. (B) Tim Creamer, a 22. expedíció repülőmérnöke hajlékony tömlőkkel dolgozik az ISS amerikai Destiny laboratóriumában. (C) Porszívó használata. A NASA jóvoltából.

Rövidítés: ISS, Nemzetközi Űrállomás.

Az űrrepülés környezete és az antibiotikum-érzékenység

Ha kiterjedt küldetéseken fordulnának elő fertőzések, kezelésüket ronthatja az antibiotikum-rezisztencia reverzibilis vagy irreverzibilis növekedése. Tixador és mtsai, 74, valamint Moatti és mtsai, 75 röviden leírtak néhány, az Apollo – Szojuz-teszt projekt során tett, egyébként publikálatlan megfigyelést76, miszerint az űrhajósoktól repülés közben tenyésztett baktériumok ellenállóbbak voltak, mint ugyanazoktól az egyedektől, akár repülés előtti, akár utáni repülés során. Ezek a megfigyelések késztették a kísérletek megtervezését és végrehajtását a Jean-Loup Chrétien francia űrhajós orr- és GI mikrobiotájából származó S. aureus és E. coli izolátumok antibiotikum-érzékenységének meghatározására a Salyut 7 fedélzetén 1982 júliusában a Cytos 2 program részeként. . Chrétien ezeket a kísérleteket az orbitális repülés során végezte el, és az adatokat összehasonlították a földi kontrollokkal.74,77

A Staphylococcus aureus ultravékony metszeteiA) földi irányítás és (B) a Salyut 7 fedélzetén, Chrétien által 1982-ben a Cytos 2 program számára.

Jegyzet: Képek Tixador et al77-től Elsevier engedélyével.

Baktériumok szaporodása modellezett mikrogravitáció alatt: virulencia és antibiotikum-érzékenység

Az űrrepülés környezete eleve összetett, több változóval rendelkezik, amelyek magukban foglalják a nulla és a mikrogravitációt, a gyorsulást, a rezgést, a sugárzást, az elektromágnesességet és az űrjármű zárt környezetéhez kapcsolódó további környezeti terheléseket, ezért nem teljes egészében szimulálhatók. A tényezők egyénileg befolyásolhatják a baktériumok fiziológiáját, és megváltoztathatják a génexpressziót és a viselkedést, de együttes hatásuk csak a tényleges űrrepülés során vizsgálható egyszerre. Az űrrepülés paramétereinek vizsgálatát korlátozzák a repülés közbeni kísérletek korlátai, például a speciális berendezések kifejlesztésére vonatkozó követelmények, valamint a teljesítményre, tömegre és térfogatra vonatkozó korlátozások. A legénység idejére kiélezett verseny azt diktálja, hogy a kísérleteket egyszerűen el lehet végezni, a legénység csekély vagy anélkül történő részvételével. Ezek a súlyos korlátok jelentős mértékben leküzdhetők az űr egyes aspektusait szimuláló földi eszközök használatával.

A klinosztatikák és más forgó falú bioreaktorok, mint például a HARV, számos kutatást ösztönöztek a modellezett mikrogravitációnak az egysejtű85 és a többsejtű88 sejtek széles körében, beleértve a mikroorganizmusokat is, gyakorolt hatását. A NASA Johnson Űrközpontban kifejlesztett 89 HARV egy üreges kazettából áll, amelyet teljes mértékben növekedési közeg tölt meg, amely lassan forog a talajjal párhuzamos tengelyen; ilyen körülmények között a baktériumok folyamatosan szuszpendálódnak a táptalajban, és tartósan alacsony nyíró képességű (2) környezetben esnek át, amely a valódi mikrogravitációt szimulálja. Így ez az alacsony nyíróerővel modellezett mikrogravitációs (LSMMG) eszköz állandó átirányítást alkalmaz a szuszpenziós tenyészetben, hogy hatékonyan semmissé tegye a részecskék kumulatív ülepedését, de nem képes teljes mértékben reprodukálni a szerkezeti deformáció hiányát, a sejtek közötti komponensek elmozdulását és az extracelluláris folyadékban bekövetkezett csökkentett tömegátadást Ha a HARV-t LSMMG-orientációban alkalmazzuk úgy, hogy a forgástengelye 25 fordulat/perc sebességnél merőleges a gravitációs erővektor irányára, akkor a bioreaktor egy gravitációs mezőt szimulál.

0,01 × g; 91 az edényt normál gravitációs irányban forgatja 90 ° -kal a merőlegesre, a forgástengely párhuzamos a gravitációs vektorral, és 1 × g-os vezérlést biztosít, amely párhuzamosan futtatható az LSMMG-tenyészetekkel. Ezeknek az eszközöknek a mérnöki alapelveit, amelyek alacsony nyírású kevert folyadék környezetet hoznak létre a szuszpenziós tenyésztéshez optimalizálva, két kiváló értékelés részletesen leírta.

A Yersinia pestis, a pestis bacillus virulenciáját az LSMMG keretében is vizsgálták virulencia jellemzői tekintetében107 annak érdekében, hogy betekintést nyerhessünk annak patogenezisébe. Az LSMMG-ben növesztett sejtek csökkent HeLa sejt-toxicitással rendelkeztek, és a normálnál kisebb gravitációs kontrollokkal szaporodtak az egér RAW264.7 makrofág sejtvonalában a megváltozott harmadik típusú szekréciós rendszer (T3SS) megváltozott funkciójának következményeként. Így egyre több bizonyíték azt sugallja, hogy az űrrepülés és a szimulált mikrogravitációs körülmények csökkentik, és nem növelik a kórokozó baktériumok (és az élesztő) fertőzést okozó képességét; ez csökkentheti a fertőzés kockázatát azok számára, akik hosszabb űrrepülést végeznek, bár a repülés során a gyógyszerrezisztens genotípusok mutációja ellensúlyozhatja ezt a vélelmet. Nyilvánvalóan sokkal több munkát kell elvégezni ezen a területen, és meg kell állapodni a pontos technikákról, amelyek lehetővé teszik a jövőbeni tanulmányok értelmes összehasonlítását. Az igaz és szimulált mikrogravitáció egyedülálló bakteriális fenotípust eredményez, amely lehetővé teheti a mikrobiális patogenezis és a gyógyszer – baktérium kölcsönhatások mechanizmusainak kibontakozását, kiterjesztve az ilyen vizsgálatok értékét a kórházi és közösségi szerzett emberi fertőzések területére a Földön.

Az űrrepülés környezete és a gyógyszer stabilitása: következmények az anti-fertőző kemoterápiára

A felszíni és a szisztémás fertőzések kockázata a misszió időtartamával megnő, 4,43,96, és a szemsérülések, traumák és törések nagy valószínűsége antibiotikum-profilaxist igényel. Az ISS-személyzet rendelkezésére álló fedélzeti gyógyszertár több mint 50 éves űrutazás során bővült és finomodott, és összetétele tükrözi annak valószínűségét, hogy a mikrogravitációhoz való speciális alkalmazkodás és az űrrepüléssel járó egészségügyi kockázatok miatt gyakori terápiás beavatkozásokra lesz szükség. Noha az ISS személyzetének tagjai általában 6 hónapot töltenek a fedélzeten, mielőtt visszatérnek a Földre, átfogó tervek vannak érvényben azonnali sürgősségi evakuálásra, ha erre szükség van. 9 A Föld pályáján kívüli expedíciók óriási egészségügyi és orvosi kihívásokat fognak jelenteni; a holdmissziók hetekig vagy hónapokig tartanak, a marsi expedíciók pedig 2-3 évig tartanak, a beteg legénység tagjainak kimenekítésére kevés vagy egyáltalán nincs lehetőség.

A gyógyszerkészítmények használata a küldetés hosszával nőtt. Az amerikai űrrepülőgép-küldetések korai szakaszában a legénységnek több mint 500 egyedi adagra volt szüksége 31 különböző gyógyszerből; ezeket főleg orálisan adták az űrhajósok 94% -ának.108 Bár az ilyen repülések során szedett gyógyszerek többsége jól tolerálható és feltételezhető, hogy hatásos,

Következtetés

Az űrrepülési személyzet súlyos fertőzésének kockázata növekszik, amikor a LEO-n túl a mély űrbe utazunk. Ezekben az utakban a fertőzések kezelésének képességét veszélyeztetheti az emberi élettan és az űrrepülési környezet egyedi tulajdonságai által kiváltott bakteriális fenotípusok változása. Az opportunista kórokozók érzékenysége a hagyományos antibiotikumokra megváltozhat a mikrogravitáció hatására, és megváltozhatnak a baktériumok - az űrhajó fedélzetén tartózkodó utazótársak - virulenciájával kapcsolatos jellemzői. A személyzet hosszú távú kockázatával kapcsolatban jelenleg rendelkezésre álló korlátozott mennyiségű adatból nem alakult ki egyértelmű konszenzus, és további munkára van szükség annak érdekében, hogy tisztább képet kapjunk az űrben lévő mikroorganizmusok által okozott veszélyről.