Вплив космічного польоту на вірулентність бактерій та сприйнятливість до антибіотиків

Пітер Вільям Тейлор

Школа фармацевтики, Університет і коледж Лондона, Лондон, Великобританія

Анотація

Пілотований космічний політ спричиняє зниження імунної компетентності серед екіпажу і, ймовірно, спричинить шкідливі зміни у складі шлунково-кишкової, носової та дихальної бактеріальної флори, що призведе до підвищеного ризику зараження. Середовище космічного польоту може також впливати на сприйнятливість мікроорганізмів у космічному кораблі до дії антибіотиків, ключових компонентів літаючих аптечок, а також може змінювати характеристики вірулентності бактерій та інших мікроорганізмів, які забруднюють тканину Міжнародної космічної станції та інших польотних платформ. У цьому огляді буде розглянуто вплив справжньої та змодельованої мікрогравітації та інших характеристик середовища космічного польоту на поведінку клітин бактерій стосовно потенціалу серйозних інфекцій, які можуть з’явитися під час місій на астрономічні об’єкти за межами низької орбіти Землі.

Вступ

Основні фактори, що впливають на сприйнятливість екіпажу до інфекції

Ці імунні дефіцити нагадують дані членів команди експедиції в Арктиці та Антарктиці, підводників та інших, які можуть бути ізольовані в часі та утримуватися в закритому середовищі31 і можуть бути неминучим наслідком тривалих періодів ізоляції чи ув'язнення. Існує цілий ряд умовно-патогенних мікроорганізмів, включаючи бактерії, гриби та віруси, які залежать від зниженої імунної функції, що спричиняє серйозні інфекційні захворювання, і деякі з них неминуче супроводжуватимуть екіпаж на орбіті або в глибокий космос. Основним джерелом потенційної інфекції на борту космічних кораблів є власна бактеріальна флора космонавтів. В людському організмі живе велика і різноманітна спільнота мікроорганізмів, які спільно називаються мікробіомами, які відіграють активну роль у розвитку та функціонуванні ряду фізіологічних процесів господаря, 32 включаючи організацію імунної відповіді слизової оболонки.33 Ці мікробні популяції складаються здебільшого з бактерій і мешкають на шкірі та в ротовій порожнині, носових ходах, сечостатевих шляхах та, переважно, шлунково-кишковому (ШКТ) тракті. Здоровий шлунково-кишковий тракт дорослої людини містить складну спільність бактерій

1000 видів, 34 і збурення цієї популяції можуть призвести до прояву хвороби.34–36 Багато з цих бактерій неможливо культивувати, але нещодавні досягнення в метагеномних технологіях дозволили детальний аналіз мікробної флори ШКТ шляхом визначення послідовності рибосомної РНК малих субодиниць гени без потреби в культурі.37

Вплив середовища космічного польоту на фізіологію бактерій

Зміни в кінетиці росту бактерій у космосі стимулюють вироблення вторинних метаболітів. Таким чином, виробництво антибіотика монорден паразитичним грибом Humicola fuscoatra було більшим при вирощуванні на борту місії СВС-77, ніж у наземних зразках, 54 навіть незважаючи на використання агарових середовищ. Подібним чином, часовий хід вироблення антибіотика актиноміцину D Streptomyces plicatus як у визначених, так і в складних рідких середовищах був змінений порівняно із земними культурами під час польоту на човні STS-80, причому більша частина препарату вироблялася протягом перших 12 днів на орбіті .55,56 Цікаво, що льотні зразки зберігали здатність до спороношення, коли їх висаджували на агарову середу після прольоту, тоді як залишкові наземні засоби контролю не спорулювали.

Мікробне забруднення космічних кораблів

Внутрішня складність МКС.

Примітки: (A) Астронавт NASA Ден Бербанк, командир експедиції 30, проводить сеанс з попереднім експериментом з розширених колоїдів у модулі світлової мікроскопії. (B) Бортовий інженер експедиції 22 Тім Крімер працює з гнучкими шлангами в лабораторії ISS в США Destiny. (C.) За допомогою пилососа. Надано НАСА.

Скорочення: МКС, Міжнародна космічна станція.

Середовище космічного польоту та сприйнятливість до антибіотиків

Якби інфекції мали місце під час тривалих місій, їх лікування може бути скомпрометоване оборотним або незворотним підвищенням стійкості до антибіотиків. Tixador et al, 74 та Moatti et al, 75 коротко описують деякі неопубліковані інакше спостереження, зроблені під час Проекту випробувань Аполлона-Союза76, що бактерії, культивовані в астронавтах під час польоту, були більш стійкими, ніж ізоляти, отримані від тих самих особин до або після польоту. Ці спостереження спонукали розробляти та проводити експерименти для визначення чутливості до антибіотиків ізолятів S. aureus та E. coli із носової та шлунково-кишкової мікробіоти французького астронавта Жана-Лу Кретьєна на борту Салюту 7 у липні 1982 року в рамках програми Cytos 2 . Кретьєн проводив ці експерименти під час орбітального польоту, і дані порівнювали з наземним контролем. 74,77

Ультратонкі зрізи золотистого стафілокока, вирощені як (A) наземний контроль та (B) під час польоту на борту «Салют 7» Кретьєна в 1982 році для програми Cytos 2.

Примітка: Зображення від Tixador et al77 з дозволу Elsevier.

Ріст бактерій за модельованої мікрогравітації: вірулентність та чутливість до антибіотиків

Середовище космічного польоту за своєю суттю є складним, з безліччю змінних, які включають нуль та мікрогравітацію, прискорення, вібрацію, випромінювання, електромагнетизм та додаткові екологічні стреси, пов'язані із закритим середовищем космічного корабля, і тому не можуть бути змодельовані в цілому.87 фактори можуть впливати індивідуально на фізіологію бактерій та спричиняти зміни в експресії та поведінці генів, але їх сукупний вплив можна досліджувати лише одночасно під час фактичного польоту в космос. Вивчення параметрів космічного польоту обмежене обмеженнями експериментів під час польоту, такими як вимоги до розробки спеціалізованого обладнання та обмеження щодо потужності, ваги та обсягу. Напружена конкуренція часу екіпажу диктує, що експерименти нескладно проводити, залучаючи екіпаж майже без участі. Ці серйозні обмеження можна подолати значною мірою за допомогою використання наземних пристроїв, що імітують окремі аспекти простору.

Кліностати та інші біореактори з обертовою стінкою, такі як HARV, стимулювали велику кількість досліджень впливу модельованої мікрогравітації на фізіологію широкого спектра одноклітинних85 та багатоклітинних88 клітин, включаючи мікроорганізми. HARV, розроблений в Космічному центрі NASA Johnson, 89, складається з порожнистої касети, повністю заповненої ростовим середовищем, яка повільно обертається навколо осі, паралельної землі; за цих умов бактерії постійно суспендуються в середовищі, потрапляючи через стійке середовище з низьким зсувом (2), що імітує справжню мікрогравітацію. Таким чином, цей пристрій із низьким зсувом, модельований мікрогравітацією (LSMMG), використовує постійну переорієнтацію в суспензійній культурі, щоб ефективно звести нанівець кумулятивне осідання частинок, але не може повністю відтворити одночасну відсутність структурної деформації, витіснення міжклітинних компонентів та зменшення масообміну в позаклітинній рідині, що відбуваються в справжньому невагомому середовищі.90 Коли HARV використовується в орієнтації LSMMG з віссю обертання при 25 об/хв і перпендикулярно напрямку напрямку сили тяжіння, біореактор імітує гравітаційне поле

0,01 × g; 91 обертаючи посудину в нормальній гравітаційній орієнтації на 90 ° до перпендикуляра, вісь обертання паралельна вектору гравітації, забезпечуючи 1 × g управління, яке можна запускати паралельно з культурами LSMMG. Інженерні принципи цих пристроїв, які створюють середовище із змішаною рідиною з низьким зсувом, оптимізоване для культури суспензії, були докладно описані у двох чудових оглядах89,90

Вірулентність Yersinia pestis, чумної палички, також досліджували в рамках LSMMG з урахуванням її вірулентності107, щоб отримати уявлення про її патогенез. Вирощені LSMMG клітини мали знижену токсичність клітин HeLa і проліферували менше, ніж нормальний контроль сили тяжіння в клітинній лінії мишачих макрофагів RAW264.7, як наслідок зміненої функції системи секреції третього типу (T3SS). Таким чином, все більша кількість доказів свідчить про те, що космічний політ та імітовані умови мікрогравітації зменшують, а не збільшують здатність патогенних бактерій (а також дріжджів) спричинювати інфекції; це може зменшити ризик зараження для тих, хто здійснює тривалий космічний політ, хоча мутація до стійких до наркотиків генотипів під час польоту може суперечити цій припущенню. Очевидно, що в цій галузі потрібно провести набагато більше роботи, і слід досягти згоди щодо точних методів, які дозволять суттєво порівняти майбутні дослідження. Справжня та змодельована мікрогравітація породжує унікальний бактеріальний фенотип, який може дати змогу розкрити механізми мікробного патогенезу та взаємодії лікарсько-бактерій, поширюючи цінність таких досліджень на сфери внутрішньолікарняних та громадських інфекцій людини на Землі.

Середовище космічного польоту та стабільність ліків: наслідки для протиінфекційної хіміотерапії

Ризик як поверхневих, так і системних інфекцій збільшиться із тривалістю місії, 4,43,96, а висока ймовірність травм очей, травм та переломів потребуватиме антибіотичної профілактики. Бортова аптека, доступна для екіпажу МКС, була розширена та вдосконалена протягом більш ніж 50 років космічних досліджень, і її склад відображає ймовірність того, що конкретні пристосування до мікрогравітації та ризики для здоров'я, пов'язані з космічними польотами, вимагатимуть частих терапевтичних втручань. Хоча, як правило, члени екіпажу МКС проводять 6 місяців на борту перед поверненням на Землю, існують комплексні плани негайної екстреної евакуації у разі потреби.9 Експедиції поза орбітою Землі представлятимуть величезні проблеми в галузі охорони здоров'я та медичної допомоги; Місячні місії триватимуть тижнями чи місяцями, а марсіанські експедиції триватимуть 2–3 роки з невеликою можливістю евакуації хворих членів екіпажу або взагалі не матимуть її 4.

Застосування фармацевтичних препаратів збільшувалось із тривалістю місії. На ранніх етапах місій американського космічного човника екіпажам було потрібно> 500 індивідуальних доз 31 різних ліків; їх вводили переважно перорально 94% космонавтів.108 Хоча більшість ліків, прийнятих під час цих польотів, добре переносились і вважалися ефективними,

Висновок

Ризик серйозного зараження для членів екіпажу космічних польотів зростатиме, коли ми подорожуватимемо за межі LEO і в глибокий космос. Наша здатність лікувати інфекції під час цих подорожей може бути порушена внаслідок змін у фізіології людини та бактеріальних фенотипів, спричинених унікальними властивостями космічного польоту. Сприйнятливість умовно-патогенних мікроорганізмів до звичайних антибіотиків може змінюватися під впливом мікрогравітації та пов'язаних з вірулентністю характеристик бактерій - попутники на борту космічного корабля - можуть змінюватися. Чіткого консенсусу з обмеженого обсягу наявних даних щодо довгострокового ризику для екіпажу не вийшло, і для отримання більш чіткої картини загрози, яку представляють мікроорганізми в космосі, потрібно провести більше роботи.