Arki Kansainvälisellä avaruusasemalla etenee nopeasti. Todella nopeasti. Noin 17 000 mailin tuntinopeudella, 300 mailin korkeudella maapallon yläpuolella, astronautit katselevat 16 auringonnousua ja -laskuakin joka ”päivä” leijuessaan laatikossa kourallisen ihmisten kanssa, joista heidän selviytymisensä on riippuvainen.

Ei tarvitse katsoa pidemmälle kuin Hollywoodin menestyselokuviin, kuten ”Marsilainen” (The Martian), ”Painovoima” (Gravity) ja ”Interstellar” (Interstellar), löytääkseen futuristisia visioita elämästä maapallon tuolla puolen, samalla kun uskaltaudumme pidemmälle ja syvemmälle ulkoavaruuteen. Mutta miten ihmiskeho reagoi tosielämän avaruuslentoihin – mitkä ovat terveysvaikutukset? Vanhenevatko avaruusmatkailijat eri tahtiin kuin me Maan asukkaat? Kuinka hyvin sopeudumme avaruusympäristöön?

Nasa on varmasti huolissaan näistä asioista. Se, miten avaruusmatkailu ja pitkäkestoiset avaruuslennot saattavat muuttaa ihmiskehoa ja ovatko nämä muutokset pysyviä vai palautuvia astronauttien palattua Maahan, on suurelta osin tuntematonta. Tilaisuus tutkia näitä kiehtovia kysymyksiä tarjoutui identtisten kaksosten astronauttien Scott ja Mark Kellyn kohdalla.

Marraskuussa 2012 NASA valitsi astronautti Scott Kellyn ensimmäiselle vuoden mittaiselle avaruuslennolleen. Lehdistötilaisuudessa vähän sen jälkeen Scott vihjasi, että tämä tehtävä saattaisi tarjota mahdollisuuden verrata avaruuselämän vaikutusta hänen kehoonsa hänen Maassa asuvan identtisen kaksoisveljensä Mark Kellyn kanssa, joka oli myös astronautti ja entinen laivaston testilentäjä. Huomionarvoista oli, että Kellyn kaksoset olivat yksilöitä, joilla oli samanlainen ”luonne (genetiikka) ja kasvatus (ympäristö)”, ja niin syntyi täydellinen avaruuskoe, jossa tähdinä olivat ”avaruuskaksoset ja Maan kaksoset”. Scott viettäisi vuoden avaruudessa Kansainvälisellä avaruusasemalla, kun taas hänen identtinen kaksoisveljensä Mark jäisi Maahan.

NASA:n TWINS-tutkimus on kattavin näkemys ihmiskehon reaktiosta avaruuslentoon, joka on koskaan tehty. Tulokset ohjaavat tulevia tutkimuksia ja yksilöllisiä lähestymistapoja yksittäisten astronauttien terveysvaikutusten arvioimiseksi tulevina vuosina.

Syöpäbiologina Coloradon osavaltion yliopistossa tutkin säteilyaltistuksen vaikutusta ihmissoluihin. Osana TWINS-tutkimusta olin erityisen kiinnostunut arvioimaan, miten kromosomien päät, niin sanotut telomeerit, muuttuivat vuoden avaruudessa olon seurauksena.

Avaruuselämän terveysvaikutusten erittely

NASA julkaisi kutsun ja valitsi TWINS-tutkimukseen 10 vertaisarvioitua tutkimusta eri puolilta maata. Tutkimukset sisälsivät molekyyli-, fysiologisia ja käyttäytymismittareita sekä ensimmäistä kertaa astronauttien kohdalla ”omics”-pohjaisia tutkimuksia. Jotkut ryhmät arvioivat avaruuden vaikutusta genomiin eli solun koko DNA:n kokonaisuuteen (genomiikka). Toiset ryhmät tutkivat, mitkä geenit olivat päällä ja tuottivat mRNA-nimistä molekyyliä (transkriptomiikka). Joissakin tutkimuksissa keskityttiin siihen, miten kemialliset muutokset – jotka eivät muuta DNA-koodia – vaikuttivat geenien säätelyyn (epigenomiikka). Jotkut tutkijat tutkivat soluissa tuotettuja proteiineja (proteomiikka), kun taas toiset tutkivat aineenvaihdunnan tuotteita (metabolomiikka).

Tutkimuksissa tutkittiin myös sitä, miten avaruusympäristö saattaisi muuttaa mikrobiomia – kokoelmaa bakteereja, viruksia ja sieniä, jotka elävät kehossamme ja sen päällä. Eräässä tutkimuksessa tutkittiin immuunivastetta influenssarokotteelle. Muut tutkimusryhmät etsivät Scottin biologisista näytteistä ateroskleroosin biomarkkereita ja mikrogravitaatiosta johtuvia nesteen siirtymiä ylöspäin kehossa, mikä voi vaikuttaa näkökykyyn ja aiheuttaa päänsärkyä. Myös kognitiivista suorituskykyä arvioitiin erityisesti astronauteille suunnitelluilla tietokoneella suoritettavilla kognitiotesteillä.

Kaksosilta kerättiin yli 300 biologista näytettä – ulostetta, virtsaa ja verta – useaan otteeseen ennen vuoden kestänyttä matkaa, sen aikana ja sen jälkeen.

Kellyn kaksoset ovat epäilemättä yksi profiloituneimmista pareista – planeetallamme tai sen ulkopuolella. He ovat myös yksi eniten haastatelluista. Yksi usein kysytty kysymys on, palaako Scott avaruudesta nuorempana kuin Mark – tilanne muistuttaa ”Interstellaria” tai Einsteinin niin sanottua ”kaksosparadoksia”. Koska ISS ei kuitenkaan kulje lähellekään valonnopeutta meihin nähden, aikadilataatio eli liikkeestä johtuva ajan hidastuminen on hyvin vähäistä. Mahdollinen ikäero veljesten välillä olisi siis vain muutama millisekunti.

Kysymys avaruuslentoihin liittyvästä ikääntymisestä ja siihen liittyvästä riskistä sairastua ikääntymiseen liittyviin sairauksiin, kuten dementiaan, sydän- ja verisuonitauteihin ja syöpään – lennon aikana tai sen jälkeen – on kuitenkin tärkeä, ja pyrimme käsittelemään sitä suoraan tutkimuksellamme telomeerien pituudesta.

Telomeerit ovat kromosomien päitä, jotka suojaavat kromosomeja vaurioilta ja ”haurastumiselta” – aivan kuin kengännauhan pää. Telomeerit ovat kriittisiä kromosomien ja genomin vakauden ylläpitämisen kannalta. Telomeerit kuitenkin lyhenevät luonnostaan solujemme jakautuessa ja myös ikääntyessä. Telomeerien lyhenemiseen ajan myötä vaikuttavat monet tekijät, kuten hapetusstressi ja tulehdus, ravitsemus, fyysinen aktiivisuus, psykologinen stressi ja ympäristöaltistukset, kuten ilmansaasteet, UV-säteet ja ionisoiva säteily. Telomeerien pituus heijastaa siis yksilön genetiikkaa, kokemuksia ja altistumista, joten se on informatiivinen yleisen terveyden ja ikääntymisen indikaattori.

Telomeerit ja ikääntyminen

Tutkimuksessamme esitimme, että astronauttien avaruuslentojen aikana kokemat ainutlaatuiset rasitukset ja maailmasta poikkeavat altistukset – sellaiset asiat kuin eristys, mikrogravitaatio, korkeat hiilidioksidipitoisuudet ja galaktiset kosmiset säteet – kiihdyttäisivät telomeerien lyhenemistä ja ikääntymistä. Tämän testaamiseksi arvioimme telomeerien pituutta molemmilta kaksosilta saaduista verinäytteistä ennen vuoden kestänyttä matkaa, sen aikana ja sen jälkeen.

Scottilla ja Markilla oli tutkimuksen alussa suhteellisen samanlaiset telomeerien pituudet, mikä viittaa vahvaan geneettiseen komponenttiin. Odotetusti myös Maassa olleen Markin telomeerien pituus oli suhteellisen vakaa tutkimuksen aikana. Yllätykseksemme Scottin telomeerit olivat kuitenkin huomattavasti pidempiä jokaisena ajankohtana ja jokaisessa näytteessä, joka testattiin avaruuslennon aikana. Tämä oli juuri päinvastoin kuin odotimme.

Lisäksi Scottin palattua Maahan telomeerien pituus lyheni nopeasti ja vakiintui sitten seuraavien kuukausien aikana lähelle lentoa edeltävää keskiarvoa. Ikääntymisen ja sairausriskin näkökulmasta katsottuna hänellä oli kuitenkin avaruuslennon jälkeen paljon enemmän lyhyitä telomeereja kuin ennen sitä. Haasteenamme on nyt selvittää, miten ja miksi tällaisia avaruuslentokohtaisia muutoksia telomeerien pituuden dynamiikassa tapahtuu.

Tuloksillamme on merkitystä myös maan asukkaille, sillä me kaikki vanhenemme ja sairastumme ikään liittyviin sairauksiin. TWINS-tutkimuksen tulokset voivat antaa uusia vihjeitä asiaan liittyvistä prosesseista ja siten parantaa käsitystämme siitä, mitä voisimme tehdä niiden välttämiseksi tai terveyden keston pidentämiseksi.

Pitkäkestoisten avaruuslentojen pitkäaikaisia terveysvaikutuksia ei ole vielä selvitetty, mutta TWINS-tutkimus on käänteentekevä askel ihmiskunnan matkalla kuuhun, Marsiin ja kauemmas… ja tieteiskirjallisuuden muuttamisessa tieteelliseksi tosiasialle.