Innovative Infectious Disease Research auf der Internationalen Raumstation

Darstellende empfindliche biologische Experimente ist immer eine heikle Angelegenheit. Nur wenige Forscher jedoch kämpfen mit den Herausforderungen von Cheryl Nickerson , dessen Arbeitslabor an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) ist Hunderte von Meilen über der Erde , Reisen auf rund 17.000 Meilen pro Stunde liegt gegenüber.

Nickerson , Mikrobiologe an der Arizona State University Biodesign Institute, wird mit dem ISS -Plattform , um neue Forschung über die Auswirkungen der Mikrogravitation auf krankheitsverursachende Organismen zu verfolgen.

Nickerson präsentierte ihre Forschungsergebnisse und kartiert die Weichen für zukünftige Untersuchungen an Bord der ISS am 18. Februar 2013 an der Jahrestagung der Amerikanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften , in Boston, Mass Ihr Vortrag gehalten mit dem Titel " Microgravity : . Ein neuartiges Werkzeug für Fortschritte in der biomedizinischen Forschung , " ist Teil einer Sondersitzung zur ISS Wissenschaft gewidmet.

"Ein wichtiger Schwerpunkt meiner Forschung ist es, die Schwerelosigkeit der Raumfahrt als innovative biomedizinische Forschung Plattform zu nutzen . Wir sind bestrebt, neue zellulären und molekularen Mechanismen der infektiösen Krankheitsprogression im Zusammenhang , die nicht hier auf der Erde beobachtet werden kann enthüllen , und unsere Ergebnisse zu übersetzen neue Strategien für die Behandlung und Prävention. "

Während einer früheren Reihe von NASA -Raumfähre und bodengestützten Experimenten Nickerson und ihr Team machte eine überraschende Entdeckung . Raumfahrt Kultur erhöhte die krankheitsverursachenden Potentials ( Virulenz ) des foodborne pathogen Salmonellen, doch sind viele der bekannten wichtig für seine Virulenz sein Gene an- und ausschalten , wie erwartet , wenn dieser Organismus auf der Erde gewachsen gedreht . Zu verstehen, wie diese Schalt geregelt kann nützlich für die Gestaltung gezielte Strategien , um eine Infektion zu verhindern.

Für NASA waren Nickerson Feststellungen Offenbarungs aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Gesundheit von Astronauten auf erweiterten Raumfahrtmissionen . Bereits mit dem Potenzial für geschwächten Immunsystems durch die Strapazen der Raumfahrt induzierte konfrontiert sind, können die Astronauten müssen weiter mit der Bedrohung durch krankheitserregenden Mikroben mit Amping -up Infektions Fähigkeiten zu kämpfen. Ein besseres Verständnis von Infektionsprozessen und Wirtsreaktionen unter diesen Bedingungen ist daher wichtig für die Gestaltung von Therapeutika und andere Methoden der Begrenzung Anfälligkeit für die auf Raumfahrtmissionen .

Die Geschichte jedoch noch nicht zu Ende . Weitere Forschung von Nickerson -Team wies auf wichtige Implikationen für das Verständnis von Gesundheit und Krankheit auf der Erde. Ihr Team , darunter Wissenschaftler der NASA , hat gezeigt, dass eine der zentralen Faktoren, die das Verhalten von pathogenen Zellen ist die durch die Bewegung der Flüssigkeit über eine Bakterienzelle empfindliche Oberfläche erzeugt physische Gewalt . Diese Eigenschaft , wie Fluid-Scher bekannt ist, hilft modulieren, ein breites Spektrum von Zellverhalten, zu provozieren Veränderungen der Zellmorphologie , Virulenz und globalen Veränderungen der Genexpression , in Krankheitserreger wie Salmonellen .

" Es gibt Bedingungen, die durch Erreger während des Infektionsprozesses im menschlichen Körper , die für Bedingungen , dass dieselben Organismen erfahren bei Kultivierung in der Raumfahrt sind angetroffen werden. Durch die Untersuchung der Wirkung der Raumfahrt auf der krankheitsverursachende Potential des bedeutende Pathogene wie Salmonellen , können wir in der Lage , einen Einblick in Mechanismen von Infektionskrankheiten , die mit herkömmlichen experimentellen Ansätzen auf der Erde , wo die Schwerkraft kann Schlüssel zellulären Reaktionen Maske nicht erreicht werden kann ", sagt Nickerson

Nickerson der Raumfahrt Studien aufgezeigt auch eine evolutionär konservierte Protein - genannt Hfq - , die als globaler Regulator der Antworten Gen Raumfahrt Bedingungen handeln scheint . Weitere Forschung durch ihr Team festgestellt, dass Hfq ist ein zentraler Mediator in der Raumfahrt -induzierten Reaktionen von anderen bakteriellen Erregern , einschließlich Pseudomonas aeruginosaUnd stellt somit den ersten Raumflug -induzierte Regler über Bakterienarten handeln .

Nickerson die Untersuchung der post- Raumfahrt Veränderungen in bakteriellen Verhalten nutzten Microarray-Technologie , die Analyse der Genexpression für die gesamten 4,8 Millionen Basenpaaren in SalmonrundschreibenChromosom ermöglicht . Daten zeigten, dass 167 unterschiedliche Gene und Proteine, 73 während des Wachstums unter Mikrogravitationsbedingungen , einschließlich (aber nicht beschränkt auf) Virulenz - assoziierten Genen verändert worden . Von den 167 Genen unterziehen Up- oder Down-Regulation in Reaktion auf die Raumfahrt, waren ein Drittel unter der Kontrolle des Hfq Master-Regulator -Protein.

Diese Mikrogravitation Studien ein neues Fenster öffnen in die Mechanismen von Infektionskrankheiten von Salmonella , einer aggressiven Erreger infizieren weltweit schätzungsweise 94 Millionen Menschen und verursacht 155.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich. Allein in den USA werden mehr als 40.000 Fälle von Salmonellose jährlich berichtet , was zu mindestens 500 Todesfälle und Gesundheitskosten von mehr als 50 Millionen Dollar. Jedoch nur ein kleiner Prozentsatz der Infektion mit Salmonella berichtet , und der geschätzten zwei bis vier Millionen Fälle von Salmonellen -induzierte Gastroenteritis die auftreten, in den Vereinigten Staaten jedes Jahr zu einer erheblichen wirtschaftlichen Verlust im produktiven Bereich , berichtet jährlich $ 2000000000 überschreiten.

Während Salmonella ist ein Erreger der Wahl für eine breite Palette von Raumfahrt Untersuchungen Nickerson betont, dass ihre Erkenntnisse haben Raumfahrt und erdgebundenen Auswirkungen. Ihr Vertrauen auf die Arbeit ihres Teams zeigen, dass Mikrogravitation Kultur auch eindeutig verändert Genexpression und Pathogenese -bezogenen Reaktionen in andere Mikroorganismen.

Nickerson betont, dass die ISS bietet eine beispiellose Gelegenheit , um den Infektionsprozess unter Schwerelosigkeit zu untersuchen , so dass Fortschritte in unserem Verständnis der mikrobiellen Genexpression und Begleitwirtsreaktionenwährend der Infektion in feinkörnigen Detail. Dieser neue Ansatz besitzt das Potenzial, neue Klassen von Genen und Proteinen, die mit einer Infektion und Erkrankung nicht möglich mit herkömmlichen Versuchsbedingungen auf der Erde , in der die Schwerkraft können bestimmte Zellantworten maskieren zu identifizieren . Einen wichtigen Fortschritt bei der Shuttle -basierten Experimenten nicht verfügbar - weitere Experimente an Bord der ISS wird das Studium der mikrobiellen Übergänge und zellulären Reaktionen auf Infektion über einen längeren Zeitraum zu ermöglichen.

Mikrogravitationsforschung kann die Möglichkeit, neue Targets für die Entwicklung von Impfstoffen und der Nickerson Team zu identifizieren , in Zusammenarbeit mit Roy Curtiss , Direktor des Biodesign Institute Center for Infectious Diseases und Vakzinologie ist auf dieses Ziel hin gearbeitet werden. Basierend auf bisherigen Erkenntnissen , die Wissenschaftler die Hypothese aufgestellt , dass die Ergebnisse von Mikrogravitationsexperimentekönnte verwendet werden, um die Entwicklung von Impfstoffen auf der Erde zu erleichtern.

In einer aktuellen Raumflug Experiment an Bord der Space Shuttle-Mission STS-135 , flog das Team eine gentechnisch veränderte Salmonellen -basierten Anti- pneumoccal Impfstoff, der in der Curtiss -Labor entwickelt wurde. Durch das Verständnis der Auswirkungen der Schwerelosigkeit Kultur auf die Genexpression und Immunogenität des Impfstoffstamm , ist ihr Ziel , die Belastung genetisch zu verändern zurück auf der Erde , um seine Fähigkeit, eine schützende Immunantwort gegen Pneumokokken verleihen verbessern Lungenentzündung .

" Erkenntnis, dass die Raumfahrt -Umgebung vermittelt ein eindeutiges Signal in der Lage, zu modifizieren Salmonella Virulenz werden wir dieses Prinzip in dem Bemühen, die schützende Immunantwort des rekombinanten abgeschwächten Salmonellen Impfstamm verbessern nutzen", sagt Nickerson .

Nickerson die weltraumgestützte Schwerelosigkeit Experimente werden bei gleichzeitiger Erde - basierte Steuerungen in der gleichen Hardware wie die in der Umlaufbahn untergebracht durchgeführt , um das Verhalten von Bakterienzellen unter normalen Schwerkraft der Erde zu vergleichen. Zusatzinformationen werden mit der Erde aus Zellkulturen, die zu einer Art von simulierten Mikrogravitation , durch Kultivieren von Zellen in einem rotierenden Mantelgefäß Bioreaktor ( RWV ), eine Vorrichtung von der NASA Ingenieure entwickelt, um Aspekte der Zellkultur in der Raumfahrt replizieren hergestellt unterworfen vorgesehen sind Umwelt.

Zurück an der ASU , wurden RWV Reaktor Experimente von Nickerson und ihr Team durchgeführt , um zu bestätigen, dass Hfq spielt eine zentrale regulatorische Rolle bei der Reaktion auf Salmonellen Raumfahrt Bedingungen . Nickerson hat diesen RWV Technologie benutzt, um dreidimensionale (3- D) Zellkulturmodelle , die wichtige Aspekte der Struktur und Funktion von Gewebe im Körper nachahmen wachsen. Diese 3 -D -Modelle werden in der Nickerson Labor verwendet werden, wie menschliche Surrogate neuartigen Einblick in die infektiösen Krankheitsverlauf mit herkömmlichen Ansätzen und für Arzneimittel / therapeutischen Tests und Entwicklung für die Behandlung und Prävention nicht erzielbar bereitzustellen.

Nickerson konzentriert sich auch Forschungsanstrengungen auf die Bestimmung der gesamten Repertoire von Umweltfaktoren, die bakterielle Reaktion auf Raumflug Kultur beeinflussen können. Zum Beispiel , fand sie , dass die Ionenkonzentration in der Zellkulturmedien eine Schlüsselrolle in der resultierenden Effekt der Raumfahrt auf Salmonella Virulenz . Verwenden des RWV , war sie in der Lage, bestimmte Salze, die für diesen Effekt verantwortlich sein könnten .

Nickerson lange Liste von Premieren ( erste Studie, die den Effekt der Raumfahrt von der Virulenz eines Erregers , zunächst die gesamte Genexpressions Reaktion eines Bakteriums Raumfahrt zu erhalten, zuerst den Infektionsprozess in menschlichen Zellen in der Raumfahrt , erste Identifizierung Profil prüfen ein Raumfahrt -responsive global Gen wirkt über Bakterienarten ) Regler, wird in Kürze mit einem neuen Versuch , der auf SpaceX Drachen für die ISS geplant, noch in diesem Jahr geflogen werden erweitert werden. Spitznamen PHOENIX , das Projekt wird das erste Mal markieren einen ganzen , lebenden Organismus - in diesem Fall ein Fadenwurm - wird mit einem Pathogen infiziert werden und während des Infektionsprozesses unter Schwerelosigkeit gleichzeitig in Echtzeit überwacht.

Diese und weitere Studien auf der ISS wird das Verständnis der molekularen und zellulären Signale pathogenen Virulenz zugrunde liegenden Wissenschaft mit ziemlicher Sicherheit zu vertiefen und ein neues Kapitel im Verständnis von Gesundheit und Krankheit , die Öffentlichkeit profitieren.

"Es ist aufregend für mich, dass unsere Arbeit zu entdecken, wie Astronauten während Raumfahrt gesunden kann in neue Wege, um Infektionskrankheiten auf der Erde zu verhindern übersetzen zu halten ", sagt Nickerson .