Studie naar veroudering leert van ervaringen in ruimtevaart

Reizen in de ruimte leidt tot veranderingen in het lichaam die verrassend veel lijken op ouderdomsziekten. Daardoor is ruimteonderzoek een unieke manier om het verouderingsproces te bestuderen.

Door Shi En Kim
Gepubliceerd 4 dec. 2020 14:29 CET
Op 15 november 2020 gaan de bemanningsleden van de Crew-1-missie – gezagvoerder Mike Hopkins (in het ...

Op 15 november 2020 gaan de bemanningsleden van de Crew-1-missie – gezagvoerder Mike Hopkins (in het midden), Victor Glover (links), Shannon Walker (achter) en de Japanse astronaut Soichi Noguchi (rechts) – op weg naar het lanceerplatform van het Kennedy Space Center in Florida om te beginnen aan de eerste commerciële bemande missie van de NASA.

Foto van Gregg Newton, AFP via Getty Images

Zoals iedereen op middelbare leeftijd weet, brengt het verouderingsproces allerlei problemen in het lichaam met zich mee. Botten beginnen kalk te verliezen, spieren beginnen te verschrompelen, de immuunafweer wordt zwakker en mensen kunnen last krijgen van artritis. De beweeglijkheid wordt belemmerd door een verslechterde houding en een verminderd evenwichtsgevoel, terwijl het gezichtsvermogen wordt aangetast door grijze staar. Tegen het einde van hun leven beginnen mensen uiteindelijk aan hartaandoeningen te lijden en gaan ook hun cognitieve functies achteruit.

Maar vreemd genoeg kunnen al deze symptomen ook door iets minder gebruikelijks worden veroorzaakt: reizen in de ruimte.

Ruimtereizen leiden tot opmerkelijke veranderingen in de menselijke biologie, en ruimtevaarders lijken veel sneller te verouderen dan hun soortgenoten op aarde. Wetenschappers begrijpen inmiddels veel beter waarom ruimtereizen zo’n grote invloed heeft op levende wezens. In een reeks van maar liefst 29 wetenschappelijke studies die onlangs is gepubliceerd in de vakbladen Cell, Cell Reports, iScience, Cell Systems en Patterns, worden de biologische risico’s van de ruimtevaart bij 56 astronauten beschreven – oftewel bij ruim tien procent van alle mensen die ooit naar de ruimte zijn gereisd.

Altijd al een inkijkje willen krijgen hoe een ruimtereis tot stand komt? In Launch America: Misson To Space Live, wordt je meegenomen in de missie van NASA en SpaceX naar het ruimtestation ISS.

Foto van National Geographic

De nieuwe studies vergroten ons inzicht in de mechanismen achter de biologische reacties op het reizen in de ruimte. Ruim tweehonderd wetenschappers konden aantonen dat een verblijf in de ruimte onze genen, mitochondriale functies en het chemische evenwicht in onze cellen verstoort en daarmee bij ruimtevarende mensen en dieren een kettingreactie van bredere gezondheidsproblemen op gang brengt.

“Het hele lichaam wordt aangetast, omdat de ruimte als omgeving zo anders en zo extreem is,” zegt Susan Bailey, een radiologe van de Colorado State University die bij meerdere van de nieuwe studies was betrokken.

De gezondheidsproblemen die met de ruimtevaart gepaard gaan, lijken in sommige opzichten sterk op aandoeningen die het gevolg zijn van het verouderingsproces, zoals kanker en osteoporose. Hoewel de parallellen tussen ruimtereizen en veroudering problematisch kunnen zijn bij langdurige bemande missies in de ruimte, zoals reizen naar Mars, biedt de omgeving van de ruimte ook een uitstekende gelegenheid om meer inzicht te verwerven in de fysiologie van het ouder worden.

Geschat wordt dat hart, bloedvaten, botten en spieren in de ruimte tienmaal sneller verouderen dan tijdens het normale verouderingsproces. Dat betekent dat wetenschappers die dit proces willen bestuderen niet hoeven te wachten totdat hun onderzoeksobjecten hier op aarde op natuurlijke wijze verouderen – ze kunnen de uitwerking van veroudering op de gezondheid gewoon versneld ‘afspelen’ door middel van experimenten in het International Space Station (ISS).

De wetenschappers benadrukken dat de symptomen van het ruimtereizen niet helemaal hetzelfde zijn als die van het ouder worden en dat veel ‘ruimte-aandoeningen’ weer verdwijnen als mensen of dieren weer op aarde zijn teruggekeerd. Toch zijn de overeenkomsten bruikbaar. Reizen in de ruimte is een alomvattende ervaring waaraan geen enkele ruimtevaarder zich kan onttrekken, terwijl ook het ouder worden een algeheel proces is waaraan geen aardbewoner ontsnapt, of we dat nu leuk vinden of niet. Het leven in de ruimte is dus een goed model voor de studie naar het proces van veroudering, zegt Bailey. Dankzij de vijandige omgeving van de ruimte zouden we zelfs nieuwe manieren kunnen vinden waarmee we ons tegen het ouder worden kunnen beschermen.

Een dosis ruimte

Al het leven op aarde heeft zich gedurende de evolutie ontwikkeld onder invloed van de zwaartekracht en de specifieke omstandigheden op onze planeet, dus zijn we niet erg goed voorbereid op een leven in andere omgevingen. De ruimte tast verschillende cellen op verschillende manieren aan, zegt Michael Roberts, interim-hoofd van het ISS National Laboratory. “Het gaat niet om één blootstelling aan bijvoorbeeld een giftige substantie; het is iets dat zich over een langere periode afspeelt, iets chronisch en aanhoudends.” Om optimaal in de ruimte te kunnen functioneren, stelt het lichaam zijn evenwichtsniveaus in op de nieuwe omgeving, aldus Roberts. Daarbij worden ook de fysiologische reacties van cellen opnieuw ingesteld.

Bij gewichtloosheid hoeven het hart, de botten en de spieren minder hard te werken dan op aarde, dus beginnen ze meteen weg te kwijnen. In de ruimte stromen vloeistoffen anders, waardoor weefsels die met vocht zijn gevuld, zoals de hersenen, worden aangetast. Door de hogere achtergrondstraling buiten de atmosfeer van de aarde kan ons DNA worden beschadigd en het risico op kanker worden verhoogd. Zelfs de iets hogere concentratie aan kooldioxide aan boord van het ISS kan de fysiologie van een astronaut beïnvloeden.

Het nieuwe onderzoek naar de gezondheidseffecten van het ruimtereizen sluit aan op de resultaten van het uitgebreide onderzoek dat de NASA naar de gezondheid van de tweelingbroers Scott en Mark Kelly heeft uitgevoerd. Tijdens deze ‘NASA Twins Study’ werden de moleculaire en fysiologische veranderingen die tijdens de één jaar durende ruimtereis van astronaut Scott Kelly optraden, bestudeerd door maar liefst tien onderzoekteams. De onderzoekers vergeleken Scotts veranderingen met de gezondheidstoestand van diens identieke tweelingbroer Mark, die gedurende het onderzoek op aarde verbleef.

Op basis van meer dan driehonderd biologische monsters konden de teams een reeks fysiologische verschillen tussen de tweelingbroers identificeren, waaronder verschillen in de expressie van genen, het microbioom, cognitieve functies en het hart- en vaatstelsel.

Het was gedurende deze Twins Study dat Bailey een opmerkelijke ontdekking deed: Bij Scott veranderde de lengte van de telomeren, de DNA-uiteinden die de chromosomen tegen beschadigingen beschermen, zoals schoenveters met plastic dopjes tegen ontrafelen worden beschermd. Volgens Bailey is de lengte van telomeren een goede indicatie voor het ouder worden, omdat die lengte door alle aspecten van ons leven wordt bepaald, van onze voeding en levensstijl tot ons geestelijk welbevinden. Telomeren worden steeds korter naarmate we ouder worden, en het tempo waarin dat gebeurt, is een belangrijke aanwijzing voor onze algehele gezondheidstoestand.

Gedurende Scotts verblijf in de ruimte zagen de wetenschappers tot hun verrassing een algehele verlenging van zijn telomeren. Toen Scott op aarde was teruggekeerd, begonnen zijn telomeren weer in rap tempo korter te worden.

“Hoewel zijn telomeren gedurende zijn ruimtereis langer werden, werden ze op aarde uiteindelijk korter dan toen hij aan zijn reis begon,” zegt Bailey. “Veranderingen in de lengte van de telomeren, en vooral kortere telomeren, worden in verband gebracht met aandoeningen als hart- en vaatziekten,” zegt zij. Maar de verlenging van telomeren die zich tijdens de ruimtereis bij Scott voordeed, is evenmin een goed teken. “Langere telomeren worden weer in verband gebracht met kanker. Dit spel valt altijd verkeerd uit,” aldus Bailey.

Hoe verrassend de Twins Study ook was, het onderzoek had slechts één onderzoekobject: Scott Kelly, die werd vergeleken met één ander object, zijn tweelingbroer Mark. Maar de onderzoekers van de nieuwe studies kunnen de resultaten van de Twins Study, waaronder ook de veranderingen in de lengte van telomeren, nu bevestigen op grond van onderzoek naar tientallen astronauten die maandenlang in de ruimte verbleven. Net als tijdens de Twins Study observeerden de onderzoekers een groot aantal fysiologische veranderingen en probeerden ze de mechanismen achter deze veranderingen te identificeren, zoals de werking van specifieke eiwitten of genen.

Sommige symptomen van het ruimtereizen leken zich na een bepaalde periode op het ISS te stabiliseren, zoals de daling van het bloedvolume en veranderingen in het hart en de longen. Maar geen enkele astronaut heeft lang genoeg op het ISS gewoond om wetenschappers de zekerheid te geven dat deze veranderingen uiteindelijk een stabiel niveau zullen bereiken.

“We hebben nu de beschikking over enkele fundamentele onderzoeken,” zegt Bailey, “maar het is nog wat te vroeg om definitieve conclusies te trekken.”

Muizen en spieren

De ruimte is ook een goede omgeving om kandidaat-medicijnen tegen het ouder worden te testen. Tijdens een recent onderzoek testte een onderzoeksteam van het Amerikaanse farmaceutische bedrijf Eli Lilly of een medicijn met antilichamen zou helpen tegen het verlies aan spierweefsel bij muizen op het ISS. (Het bedrijf produceert ook een medicijn op basis van antilichamen dat onlangs in een versnelde procedure door de Amerikaanse FDA werd goedgekeurd als medicijn tegen COVID-19.) De onderzoekers maakten gebruik van de biologische stress die de ruimte op levende wezens uitoefent door het verlies aan spierweefsel bij muizen te vergelijken met soortgelijke symptomen als gevolg van kanker en van het ouder worden.

“In de ruimte wordt het hele lichaam beïnvloedt door de afwezigheid van de zwaartekracht,” zegt Rosamund Smith, de gepensioneerde celbiologe die het onderzoek leidde. Voor een vergelijkbaar onderzoek naar veroudering op aarde zou er een omgeving van gewichtloosheid gecreëerd moeten worden, waarbij de muizen met hun achterpoten in opgehangen banden zouden moeten rusten – of door gewoon te wachten totdat ze ouder werden. Maar dit soort nagebootste verouderingsprocessen op aarde zijn niet te vergelijken met de alomvattende invloed die de ruimte gelijktijdig op alle spiermassa’s uitoefent, zegt Smith.

De onderzoekers van Eli Lilly bevestigden dat een verblijf in de ruimte er inderdaad toe leidde dat het spierweefsel van de muizen op het ISS verschrompelde en verzwakte, een resultaat dat aansluit op eerdere observaties bij astronauten. Door de muizen met het antilichaam-middel te behandelen kon de spieratrofie worden voorkomen. Met dit soort middelen zou het verlies aan spierkracht bij astronauten op langere bemande missies vermeden kunnen worden en zouden bemanningen op aarde kunnen herstellen.

“Het is verbazingwekkend hoe algemeen de invloed van gewichtloosheid op het menselijke systeem is,” zegt Smith. “We kunnen de ruimte gebruiken om meer te weten te komen over de menselijke fysiologie en daarmee over menselijke ziekten.”

Biologische chips

Wetenschappers richten zich ook steeds meer op een nieuw onderzoeksgebied waarbij die menselijke fysiologie beter wordt nagebootst dan in dierproeven: ‘orgaanchips’. Deze chips ter grootte van een USB-stick bevatten kamertjes en kanaaltjes waarin celweefsel in een voedend vocht wordt bewaard. Orgaanchips bevatten doorgaans een mix van cellen die kenmerkend zijn voor een specifiek menselijk orgaan. Met behulp van de vloeistofstroompjes in de chip kunnen de interne wrijving en uitdijing van een orgaan nagebootst worden, terwijl op de binnenwanden van de kanaaltjes ankerpunten zitten waar cellen zich kunnen herschikken en groeien. Zo wordt de werking van een heel orgaan in microformaat nagebootst.

Sonja Schrepfer, immunologe aan de University of California in San Francisco, leidde het samenwerkingsverband dat in 2018 als eerste een experiment met een orgaanchip op het ISS uitvoerde. Het initiatief ‘Tissue Chips in Space’ van het Amerikaanse National Center for Advancing Translational Sciences was bedoeld om nieuw licht te werpen op het verouderingsproces van het immuunsysteem en antwoorden te vinden op de vraag of een verzwakte immuunafweer hersteld kan worden.

Als het verblijf in de ruimte het verouderingsproces versnelt, dan kan dat proces misschien worden stopgezet of omgedraaid met behulp van cellen die vanuit de ruimte terug naar de aarde zijn gebracht, aldus Schrepfer. “Als je begrijpt waarom het omkeerbaar is en je vindt dat mechanisme, dan kun je dat in patiënten inschakelen.”

Bij Scott Kelly werd de lengte van de telomeren weer korter nadat hij op aarde was teruggekeerd, en ook andere gevolgen van het ruimtereizen, zoals veranderde gen-expressies en botverlies, verdwijnen nadat astronauten zijn teruggekeerd.

Als soortgelijke veranderingen in orgaanchips worden waargenomen, hoopt het team van Schrepfer op zoek te kunnen gaan naar de moleculaire knop waarmee deze veranderingen kunnen worden ingeschakeld. Door het identificeren van de proteïnen en genen die bij dat mechanisme zijn betrokken, zouden de onderzoekers voor oudere mensen en patiënten met een abnormaal verzwakt immuunsysteem behandelingen kunnen ontwikkelen waarmee hun verouderingsproces wordt teruggedraaid. In hun speurtocht hopen de onderzoekers spoedig een tweede ronde van experimenten op het ISS te kunnen uitvoeren, tijdens een missie die in maart 2021 wordt gelanceerd.

Buitenaardse kansen

Dankzij de extreme omgeving van de ruimte kunnen onderzoekers op zoek gaan naar creatieve oplossingen voor menselijke gezondheidsproblemen. Zo wordt er onderzoek gedaan naar medicijnen met nanodeeltjes die stamcellen aanzetten tot het vernieuwen van botweefsel en naar de inzet in menselijke cellen van proteïnen uit bijna onverwoestbare micro-organismen genaamd beerdiertjes.

Veel van deze benaderingen zijn geïnspireerd door pogingen om het menselijk aanpassingsvermogen aan de omstandigheden in de ruimte te vergroten. En dat onderzoek kan weer van invloed zijn op de aanpak van talloze ouderdomsziekten die ons aardbewoners plagen. Uiteindelijk kunnen studies naar de aanpassing aan de ruimte en naar het stopzetten of omkeren van het verouderingsproces elkaar wederzijds bevruchten.

Intussen is er geen gebrek aan astronauten die bereid zijn de ‘beroepsziekten’ van het ruimtereizen te trotseren. De fascinatie van de mens met de kosmos zal nooit verouderen, en Bailey denkt dat de astronauten op het ISS ondanks de gezondheidsrisico’s toch genieten van hun werk.

“De meeste astronauten komen op mij over als mensen die geweldig veel plezier beleven aan het rondzweven in de ruimte,” zegt zij. “Ook al is het natuurlijk hard werken, het is ook een passie en het schenkt heel veel arbeidsvreugde. En onwillekeurig denk ik dat ook hun telomeren daardoor op de juiste lengte blijven.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.