Consequences of space stressors on immunity: evaluation of immunological changes using space-simulated in vitro models

Een buitenaardse kijk op ons immuunsysteem

“The Earth is the cradle of humankind, but one cannot live in the cradle forever.” -Konstantin Tsiolkovsky-

Sinds de ruimtevaart in de jaren vijftig het levenslicht zag, leverde ze talrijke bijdragen aan ons dagdagelijks leven. Jammer genoeg deed ze dat al te vaak achter de schermen. Wanneer nieuwe technologieën eindelijk hun weg naar Jan Modaal hebben gevonden, weten weinigen nog hoe dat is kunnen gebeuren. Denk maar aan babyvoeding, velcro, krasvrij glas, enzovoort. Ook in de gezondheidssector kan ruimtevaartonderzoek een belangrijke bijdrage leveren. Hiervoor rekenen we op astronauten, proefpersonen van het eerste uur die ons toelaten om het leven in extreme omstandigheden te bestuderen.

De effecten van een ruimtereis op ons lichaam zijn heel uiteenlopend. De gewichtloosheid beïnvloedt niet alleen ons evenwichtsgevoel, maar heeft ook een belangrijk effect op ons hart- en bloedvatensysteem, beendergestel en spieren. In de ruimte worden we bovendien blootgesteld aan straling afkomstig van de zon en het heelal. Die straling kan ons DNA beschadigen wat kan leiden tot afsterven van cellen en een verhoogd risico op kanker of cataract. Bovendien gaan ruimtemissies gepaard met de nodige psychische stress die eveneens de gezondheid van astronauten kan beïnvloeden. Hoewel minder voor de hand liggend heeft een verblijf in de ruimte ook een negatief effect op ons immuunsysteem. De mechanismen die verantwoordelijk zijn voor afweerreacties tegen bacterieën, virussen of schimmels werken er minder goed. Deze problemen werden voor het eerst gerapporteerd tijdens de Salyut- en Skylab-missies in de jaren zeventig. Regelmatig werden bij astronauten ontstekingen, trager herstel van wondes en heropflakkering van virale infecties vastgesteld.

Onze toekomstplannen voor de ruimte bestaan uit langere vluchten naar de Maan, een asteroïde en Mars. Bacterieën, virussen en schimmels groeien sneller in de ruimte en zijn er schadelijker. Het is daarom van groot belang dat we begrijpen hoe ons immuunsysteem tijdens zo’n ruimtereis evolueert en hoe we schadelijke effecten kunnen vermijden.

In samenwerking met de Europese Ruimtevaart Organisatie (ESA) onderzoekt het Belgisch Studiecentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) een manier om onze immuniteit op eenvoudige wijze op te volgen. Het basisprincipe van de beoogde test baseert zich op de huidtesten die in het begin van de twintigste eeuw werden ingezet bij het opsporen van bijvoorbeeld tuberculose. De huid werd in contact gebracht met een onderdeel van het schadelijk organisme. Wie er vroeger al mee in aanraking kwam, ontwikkelde binnen de 48 uur een immuunreactie waardoor de huid lokaal zwelling of roodheid vertoonde.

Deze techniek kan eveneens gebruikt worden om eerdere infecties eenvoudig en snel op te sporen en na te gaan hoe gezond iemands afweersysteem is. Een duidelijke huidreactie is een goed teken, het ontbreken ervan wijst op een probleem in de immuunrespons. Niettemin vermijden we vandaag de dag dergelijke testen. Ze zijn niet patiëntvriendelijk, de uitslag is eerder kwalitatief en bovendien kunnen we hiermee niet screenen op alle organismen (bv. virussen).

Wetenschappers hebben recent een “buiten het lichaam” versie (ex vivo) van de vroegere huidtest ontwikkeld. Het bloed van de proefpersoon - met daarin de immuuncellen - confronteren ze in een proefbuis met lichaamsvreemde stoffen. Na de incubatieperiode verwerken ze de stalen en meten ze de immuunrespons. Zo testen ze met componenten afkomstig van bacteriën die tetanus veroorzaken, griepvirussen en schimmels zoals Candida. Omdat we astronauten trainen om op regelmatige basis bloed bij zichzelf af te nemen, staat deze aanpak garant voor een nauwkeurige opvolging van hun gezondheid voor, tijdens én na een ruimtemissie.

Een bijkomend voordeel van deze proefbuistest is de mogelijkheid om het in laboratoria op aarde te gebruiken en daar het effect van nagebootste ruimte-stressfactoren te onderzoeken. Zo gaan we het effect van gewichtloosheid na door bloedculturen te plaatsen op een toestel dat deze toestand simuleert (foto). Teststalen monteren we centraal op het toestel en door willekeurige beweging over twee assen ondergaan immuuncellen een continue valbeweging (net zoals astronauten in een baan om de aarde). 

De eerste experimenten die uitgevoerd werden in het SCK•CEN toonden een duidelijk effect van die “gewichtloosheid” op de immuunrespons. Wanneer we bloedstalen hier enkele dagen aan bloot stelden, bleek de normale respons grotendeels geëlimineerd te zijn.

Een volgende stap in deze studie onderzoekt het mogelijk effect van straling of stress op het immuunsysteem. Bloedstalen zullen hierbij blootgesteld worden aan bepaalde radio- isotopen, gesimuleerde psychologische stress (door het toevoegen van bijvoorbeeld stresshormonen zoals cortisol) of een combinatie van verscheidene van deze stressfactoren om een eventuele wisselwerking op te kunnen pikken.

Dit onderzoek naar ex vivo methodieken om de immuunrespons van astronauten te meten, staat nog in kinderschoenen. We moeten de achterliggende principes van de testen verder uitwerken door het arsenaal aan lichaamsvreemde componenten uit te breiden en door de toepasbaarheid ervan na te gaan op een groter testpubliek. Daarna wordt het een uitdaging om die testen ook in een echte ruimte-omgeving, zoals het internationale ruimtevaartstation (ISS), hanteerbaar te maken. We moeten hiervoor een gesloten systeem ontwerpen waarin we bloedculturen tijdens een missie probleemloos kunnen kweken en stimuleren, terwijl er voldoende zuurstof aanwezig blijft om de cellen enkele dagen in leven te houden. Dit werk maakt deel uit van de voorbereidende fase voor één van de volgende vluchtexperimenten van ESA. Zodra dit proefbuis-experiment zijn potentieel in ruimtemissies bewezen heeft, kan het ook gebruikt worden in de selectie van toekomstige astronauten. We kunnen dan bijvoorbeeld de gevoeligheid voor ruimtestraling van het immuunsysteem bij een kandidaat- astronaut bepalen alvorens hem of haar de ruimte in te lanceren.

Het verhaal houdt daarmee niet op, want zoals we in de inleiding aanhaalden, zijn de resultaten van de ruimtevaarttechnologie niet alleen voorbehouden tot de ruimtevaart. Dergelijke nieuwe testen kunnen ook nuttig zijn voor andere, aardse doeleinden. Denk daarbij aan het screenen naar of opvolgen van defecten in het immuunsysteem van patiënten met een verhoogde gevoeligheid voor infecties of immuunproblemen. Bovendien kan deze aanpak nieuwe inzichten verschaffen in de celprocessen die spelen bij bepaalde immuunziekten. Op die manier kunnen we onderliggende mechanismen bij een immuunrespons achterhalen en kunnen we patiënten met (auto)-immuunaandoeningen nog beter helpen door de efficiëntie van bestaande en nieuwe therapieën gerichter op te volgen.

(commentaar foto: De evaluatie van het effect van verminderde zwaartekracht op de immuunrespons door middel van een random-positioning machine (RPM). De controlestalen worden aan de zijkant van het toestel geplaatst. (foto SCK•CEN))