Het dagelijkse leven aan boord van het internationale ruimtestation gaat snel. Echt snel. Reizend met een snelheid van ongeveer 300 kilometer per uur boven de aarde, zien astronauten elke “dag” 16 keer de zon opkomen en ondergaan, terwijl ze rondzweven in een doos met een handvol mensen van wie ze afhankelijk zijn om te overleven.

Je hoeft niet verder te kijken dan Hollywood-blockbusters zoals “The Martian”, “Gravity” en “Interstellar” voor futuristische visies op het leven na de aarde, terwijl we ons steeds verder en dieper in de ruimte wagen. Maar hoe reageert het menselijk lichaam op een levensechte ruimtevlucht – wat zijn de gezondheidseffecten? Zullen ruimtereizigers in een ander tempo ouder worden dan wij op aarde? Hoe goed kunnen wij ons aanpassen aan de ruimte-omgeving?

Dit zijn zeker zorgen voor NASA. Hoe ruimtevaart en lange duur missies kunnen veranderen het menselijk lichaam, en of deze veranderingen zijn permanent of omkeerbaar zodra astronauten terugkeren naar de aarde, is grotendeels onbekend. De mogelijkheid om deze intrigerende vragen te onderzoeken deed zich voor bij de eeneiige tweeling-astronauten Scott en Mark Kelly.

In november van 2012 selecteerde NASA astronaut Scott Kelly voor zijn eerste missie van een jaar. Op een persconferentie niet lang daarna, was het Scott die liet doorschemeren dat deze missie de kans zou kunnen bieden om de impact van het leven in de ruimte op zijn lichaam te vergelijken met zijn op aarde wonende identieke tweelingbroer, Mark Kelly, die ook astronaut en voormalig testpiloot van de marine was geweest. Opmerkelijk genoeg waren de Kelly-tweelingen individuen met dezelfde “nature (genetica) en nurture (opvoeding) (omgeving),” en zo werd het perfecte ruimte-experiment bedacht – met de “ruimtetweeling en aardetweeling” als de sterren. Scott zou een jaar in de ruimte doorbrengen aan boord van het Internationale Ruimtestation, terwijl zijn identieke tweelingbroer, Mark, op aarde zou blijven.

De NASA TWINS Studie vertegenwoordigt de meest uitgebreide kijk op de reactie van het menselijk lichaam op een ruimtevlucht die ooit is uitgevoerd. De resultaten zullen de leidraad vormen voor toekomstige studies en gepersonaliseerde benaderingen voor het evalueren van gezondheidseffecten van individuele astronauten in de komende jaren.

Als kankerbioloog aan de Colorado State University bestudeer ik de invloed van blootstelling aan straling op menselijke cellen. Als onderdeel van de TWINS-studie was ik met name geïnteresseerd in het evalueren van hoe de uiteinden van de chromosomen, telomeren genaamd, werden veranderd door een jaar in de ruimte.

De gezondheidseffecten van het leven in de ruimte

NASA deed een oproep en selecteerde 10 peer-reviewed onderzoeken uit het hele land voor de TWINS-studie. De studies omvatten moleculaire, fysiologische en gedragsmetingen, en voor de allereerste keer bij astronauten, “omics”-gebaseerde studies. Sommige teams evalueerden de invloed van de ruimte op het genoom – het geheel van DNA in een cel (genomica). Andere teams onderzochten welke genen werden aangezet en een molecuul produceerden dat mRNA wordt genoemd (transcriptomics). Sommige studies concentreerden zich op de wijze waarop chemische modificaties – die de DNA-code niet veranderen – de regulering van de genen beïnvloedden (epigenomics). Sommige onderzoekers onderzochten de eiwitten die in de cellen werden geproduceerd (proteomics), terwijl anderen de producten van het metabolisme onder de loep namen (metabolomics).

Er waren ook studies die onderzochten hoe de ruimte-omgeving het microbioom – de verzameling bacteriën, virussen en schimmels die in en op ons lichaam leven – zou kunnen veranderen. Eén onderzoek bestudeerde de immuunrespons op het griepvaccin. Andere teams onderzochten Scott’s biologische monsters op biomarkers van atherosclerose en opwaartse vloeistofverschuivingen in het lichaam als gevolg van microzwaartekracht, die het gezichtsvermogen kunnen beïnvloeden en hoofdpijn kunnen veroorzaken. Cognitieve prestaties werden ook geëvalueerd met behulp van computer-run cognitietests die speciaal zijn ontworpen voor astronauten.

Meer dan 300 biologische monsters – ontlasting, urine en bloed – werden verzameld van de tweeling op meerdere tijdstippen voor, tijdens en na de een jaar durende missie.

De Kelly-tweeling is zonder twijfel een van de meest geprofileerde paren – op of buiten onze planeet. Ze zijn ook een van de meest geïnterviewde. Een vraag die vaak wordt gesteld is of Scott jonger uit de ruimte zal terugkeren dan Mark – een situatie die doet denken aan “Interstellar” of Einsteins zogenaamde “Tweelingparadox”. Maar omdat het ISS ten opzichte van ons niet in de buurt van de lichtsnelheid komt, is de tijddilatatie – of de vertraging van de tijd als gevolg van beweging – zeer minimaal. Een eventueel leeftijdsverschil tussen de broers zou dus slechts enkele milliseconden bedragen.

Evengoed is de vraag of ruimtevluchten gepaard gaan met veroudering en het daarmee gepaard gaande risico op het ontwikkelen van leeftijdsgebonden ziekten zoals dementie, hart- en vaatziekten en kanker – tijdens of na een missie – een belangrijke vraag, en een vraag die we rechtstreeks wilden beantwoorden met ons onderzoek naar telomeerlengte.

Telomeren zijn de uiteinden van chromosomen die hen beschermen tegen schade en tegen “rafelen” – net als het uiteinde van een veter. Telomeren zijn van cruciaal belang voor de stabiliteit van chromosomen en het genoom. Telomeren worden echter van nature korter naarmate onze cellen zich delen, en dus ook naarmate we ouder worden. De snelheid waarmee telomeren in de loop van de tijd korter worden wordt beïnvloed door veel factoren, waaronder oxidatieve stress en ontsteking, voeding, lichamelijke activiteit, psychologische stress en blootstelling aan het milieu zoals luchtvervuiling, UV-stralen en ioniserende straling. De telomeerlengte weerspiegelt dus de genetica, ervaringen en blootstellingen van een individu, en zijn dus informatieve indicatoren van algemene gezondheid en veroudering.

Telomeren en veroudering

Onze studie suggereerde dat de unieke spanningen en buiten-wereldse blootstellingen die astronauten ervaren tijdens ruimtevluchten – zaken als isolatie, microzwaartekracht, hoge kooldioxide niveaus en galactische kosmische straling – telomerenverkorting en veroudering zou versnellen. Om dit te testen, evalueerden we de telomeerlengte in bloedmonsters van beide tweelingen voor, tijdens en na de missie van een jaar.

Scott en Mark begonnen de studie met relatief vergelijkbare telomeerlengtes, wat consistent is met een sterke genetische component. Ook zoals verwacht, was de lengte van Marks telomeren op aarde in de loop van de studie relatief stabiel. Maar tot onze verrassing waren de telomeren van Scott significant langer op elk tijdstip en in elk monster dat tijdens de ruimtevlucht werd getest. Dat was precies het tegenovergestelde van wat we verwachtten.

Daarnaast verkortte Scott’s telomeerlengte snel bij terugkeer op aarde, en stabiliseerde zich in de maanden daarna tot bijna het gemiddelde van voor de vlucht. Echter, vanuit het perspectief van veroudering en het risico van ziekte, had hij veel meer korte telomeren na de ruimtevlucht dan daarvoor. Onze uitdaging is nu om uit te vinden hoe en waarom dergelijke ruimtevluchten specifieke verschuivingen in telomeerlengte dynamiek optreden.

Onze bevindingen zullen ook relevant zijn voor aardbewoners, omdat we allemaal oud worden en ouderdomsgerelateerde aandoeningen ontwikkelen. De resultaten van de TWINS-studie kunnen nieuwe aanwijzingen geven over de betrokken processen, en daardoor ons begrip verbeteren van wat we zouden kunnen doen om ze te voorkomen of onze gezondheid te verlengen.

De gezondheidseffecten op lange termijn van langdurige ruimtevluchten moeten nog worden vastgesteld, maar de TWINS-studie is een mijlpaal op de reis van de mensheid naar de maan, Mars en verder…en om science fiction tot science fact te maken.