Lekkende darm en ruimtevlucht - het mechanisme onthuld

Een nieuwe studie naar de effecten van gesimuleerde microzwaartekracht, de toestand waarmee astronauten in de ruimte worden geconfronteerd, interfereert met de epitheliale barrière van de darm, en het effect houdt aan, zelfs nadat de astronaut terugkeert naar een normale omgeving. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Het epitheel van de darmwand speelt een cruciale rol bij het beschermen van de rest van het lichaam tegen de miljarden microben waaraan mensen via voedsel worden blootgesteld. Echter, in microzwaartekracht, deze barrière wordt doorbroken. Dit verhindert niet alleen de normale darmfunctie, maar brengt ook het vermogen van de darmbarrière om infectie te weerstaan ​​in gevaar, zelfs nadat de astronauten op aarde zijn teruggekeerd.

Declan McCole is hoogleraar biomedische wetenschappen aan UC Riverside. (UCR School of Medicine/Carrie Rosema)

Microzwaartekracht of bijna-gewichtloosheid

Microzwaartekracht zorgt ervoor dat het functioneren van het lichaam drastisch verandert. De veranderingen omvatten genetische, structurele en biochemische veranderingen. Deze kunnen ervoor zorgen dat het individu gastro-enteritis ervaart, en andere symptomen van darmziekte. Het immuunsysteem van het lichaam lijdt ook, terwijl bacteriën zoals salmonella pathogener worden in microzwaartekrachtomstandigheden, darmziekte veroorzaken.

De reden hiervoor wordt gedeeltelijk ontdekt in het huidige onderzoek, wat aantoont dat het in een microzwaartekrachtomgeving verzwakking van de darmepitheelcellen veroorzaakt, het verminderen van hun vermogen om de barrière-doorbrekende eigenschappen van bepaalde middelen te weerstaan. En deze zwakte was aanhoudend aanwezig tot 14 dagen nadat het individu was teruggekeerd naar een normale omgeving.

De studie

De onderzoekers introduceerden aceetaldehyde, een metaboliet die in het lichaam wordt geproduceerd uit alcohol. Ze kozen voor dit middel omdat bekend is dat alcohol de darmbarrière afbreekt en de doorlaatbaarheid van de darmwand verbetert bij zowel gezonde als alcoholische personen met leverschade.

Lekkende darm. - Illustratietegoed:Designua / Shutterstock

Deze barrièrefunctie is cruciaal voor de darmgezondheid, en de afbraak ervan veroorzaakt lekkage van de darm. Hij laat infecties en bacteriële antigenen toe, of metabolieten, het lichaam binnenkomen, veroorzaken, Zoals welbekend, chronische ontsteking. Dit omvat inflammatoire darmaandoeningen, coeliakie, type 1 diabetes en leverziekte.

Het model dat het team gebruikte was een roterend wandvat, die cellen in een omgeving houdt waar ze op een gecontroleerde manier aan constante rotatie worden onderworpen. Dit vat is een bioreactor, waar biologische reacties kunnen optreden in levende cellen. De omstandigheden simuleren zorgvuldig het effect van gesimuleerde microzwaartekracht op gekweekte cellen uit het darmepitheel.

De bevindingen

De cellen waren in staat om in een enkele laag over de verstrekte microdragerkorrels te groeien. Deze cellen kunnen tight junctions vormen terwijl de celpolariteit, of apex-to-base directionaliteit, was ook onaangetast.

Nadat de cellen 18 dagen in het roterende wandvat waren gekweekt, de darmepitheelcellen bleken een significante vertraging te vertonen bij het vormen van tight junctions, de cel-naar-cel verbindingen waar individuele epitheelcellen worden samengevoegd om een ​​waterdichte barrière te vormen die geen levend organisme of biologisch molecuul kan passeren. Zelfs toen ze werden gevormd, het patroon was abnormaal, waarschijnlijk vanwege het effect op de doorgang van tight junction-eiwitten naar het celmembraan aan de top van de cel, waar de tight junctions ontstaan. Dit veranderde patroon hield aan tot 14 dagen na het verwijderen van de gekweekte cellen uit het vat.

Toen ze de cellen blootstelden aan aceetaldehydedamp, ze zagen dat barrièredefecten waarneembaar waren, met een toename van de permeabiliteit van de darmepitheelcelbarrière. Dus, deze cellen waren kwetsbaarder voor het barrièreverstorende middel dan de controlecellen die niet waren blootgesteld aan microzwaartekracht.

De eiwitten die betrokken zijn bij het vormen van de tight junctions waren onveranderd in expressie, waaruit blijkt dat hun gebrek niet verantwoordelijk was voor de vertraging. Dit werd zowel gezien in cellen die waren blootgesteld aan aceetaldehyde als in cellen die dat niet waren. Echter, in aan aceetaldehyde blootgestelde cellen, de tight junction-eiwitten vertoonden een verstoorde membraanlokalisatie onder microzwaartekrachtomstandigheden. Hoewel een dergelijke verstoring optrad met aceetaldehyde in zowel roterende wandvaten als controlecellen, in het eerste geval was het groter. Dus, microzwaartekracht maakt darmepitheel vatbaarder voor functionele barrièredefecten bij blootstelling aan een barrièreverstorend middel en veroorzaakt reorganisatie van de tight junctions.

Het mechanisme kan waarschijnlijk worden verklaard door eerdere onderzoeken die aantonen hoe aceetaldehyde de stabiliteit van de actine-strakke junctie-eiwitinteractie schaadt, waardoor de tight junction-eiwitten occludine en ZO-1 verkeerd worden gelokaliseerd.

Conclusie

Een microzwaartekrachtomgeving kan ertoe leiden dat gezonde cellen een barrièredefect ontwikkelen. Ten tweede, wanneer dergelijke cellen worden blootgesteld aan een agens dat deze barrière kan doorbreken, het defect is sterk geïntensiveerd, en dit kan het hele systeem van intestinale homeostase verstoren. In feite, dit kan het risico op bacteriële infectie vergroten, chronische ontsteking door blootstelling aan bacteriële producten, en van een snelle ernstige infectie.

Onderzoeker Declan McCole zegt:"Onze studie is de eerste die onderzoekt of functionele veranderingen in de barrière-eigenschappen van epitheelcellen in de loop van de tijd aanhouden na verwijdering uit een gesimuleerde microzwaartekrachtomgeving. Ons werk kan informatie verschaffen over ruimtereizen en kolonisatie op lange termijn, waarbij blootstelling aan een door voedsel overgedragen ziekteverwekker kan leiden tot een ernstiger pathologie dan op aarde."

• Link gevonden tussen het darmmicrobioom,
• Onderzoek toont aan hoe darmmicroben maaggriep beïnvloeden