Почему кишечник астронавтов в космосе начинает «есть» белок

Анализ крови 52 астронавтов показал сдвиг работы микробиоты, который может объяснить космические запоры

В крови астронавтов нашли следы того, что происходит внутри кишечника

Запоры у астронавтов известны давно. Гораздо менее понятно было другое: что именно меняется в кишечнике во время продолжительного пребывания в невесомости.

Исследователи из Копенгагенского университета совместно со специалистами NASA попытались увидеть этот процесс не через симптомы, а через химические следы, которые кишечник оставляет в крови.

Для этого они изучили 488 образцов плазмы 52 астронавтов, совершавших полеты продолжительностью от двух до девяти месяцев на Международную космическую станцию в 2006–2018 годах. Образцы брали до полета, во время пребывания на МКС и после возвращения на Землю.

Такой дизайн особенно ценен: исследователи могли сравнивать состояние одного и того же организма в трех принципиально разных условиях.

Использовалась метаболомика — метод, позволяющий одновременно искать множество небольших молекул, циркулирующих в крови. Эти молекулы, или метаболиты, можно рассматривать как химические отпечатки происходящих в организме процессов.

Космический полет оказался связан примерно с 40 такими соединениями. Причем изменения появлялись вскоре после старта и в основном исчезали после возвращения на Землю.

Но особенно интересной оказалась одна группа веществ.

Микробиота переключилась с углеводов на белок

Во время полета в крови увеличивались концентрации нескольких метаболитов, связанных с бактериальным расщеплением белков в толстом кишечнике.

Среди них были p-крезолсульфат, фенилацетилглутамин и 4-этилфенолсульфат. Повышались также индоксилсульфат и фенолсульфат.

Названия здесь не так важны, как их происхождение.

Обычно значительная часть кишечных бактерий получает энергию, перерабатывая доступные углеводы — прежде всего те, которые не были переварены раньше и дошли до толстой кишки. Особенно важны пищевые волокна и другие ферментируемые углеводы.

Но ситуация меняется, если содержимое кишечника продвигается слишком медленно.

Углеводные субстраты постепенно заканчиваются. Бактериям по-прежнему нужна энергия, поэтому они начинают активнее использовать другой доступный материал — белки и аминокислоты.

Именно этот процесс называется протеолитической ферментацией.

Химический профиль крови астронавтов оказался похож на тот, который можно ожидать при усилении такого бактериального метаболизма.

Почему невесомость может замедлять кишечник

Здесь начинается наиболее интересная — и одновременно наиболее осторожная — часть исследования.

Авторы не измеряли непосредственно время прохождения пищи через кишечник у этих 52 астронавтов. Поэтому утверждать, что микрогравитация доказанно вызвала замедление кишечного транзита, нельзя.

Но существует убедительная биологическая цепочка.

На Земле продвижению содержимого пищеварительного тракта помогают сокращения кишечной стенки, движение тела и гравитация. В условиях микрогравитации один из этих факторов практически исчезает.

Авторы предполагают, что отсутствие обычного гравитационного воздействия может увеличивать время кишечного транзита — то есть пищевые остатки дольше остаются внутри кишечника.

И здесь результаты нового исследования совпадают с тем, что уже известно на Земле: более длительный кишечный транзит неоднократно связывали с повышенным образованием продуктов бактериальной ферментации белков.

Дополнительным аргументом стало увеличение пимелиновой кислоты. Этот метаболит также ранее связывали с более медленным прохождением содержимого кишечника.

Получается последовательность:

микрогравитация → возможно более медленный кишечный транзит → истощение доступных углеводных субстратов → усиление бактериального расщепления белка → появление характерных метаболитов в крови.

Исследование хорошо показывает последние звенья этой цепочки. Первое — непосредственное влияние микрогравитации на скорость транзита — пока остается гипотезой.

Вот где обычный запор превращается в проблему метаболизма

Самый важный поворот исследования состоит в том, что речь может идти не просто о дискомфорте.

Когда содержимое кишечника движется медленнее, меняется среда обитания микробов. А значит, меняется и набор веществ, которые они производят.

При бактериальном расщеплении аминокислот могут образовываться аммиак, сероводород и другие соединения с потенциально неблагоприятными биологическими эффектами.

Некоторые обнаруженные у астронавтов метаболиты особенно интересны.

Фенилацетилглутамин в экспериментальных и других исследованиях связывали с процессами клеточного старения, нарушением работы митохондрий и повреждением ДНК. Индоксилсульфат и p-крезолсульфат хорошо известны исследователям хронической болезни почек: при нарушенной функции почек повышение их концентрации ассоциируется с неблагоприятными последствиями.

Есть и экспериментальные данные на животных, связывающие некоторые подобные микробные метаболиты с изменениями активности мозга и поведения.

Но здесь особенно важно не сделать лишний шаг.

Новое исследование не показало, что обнаруженные изменения вызвали у астронавтов заболевания, ухудшение настроения, снижение концентрации или повреждение почек. Оно обнаружило метаболический сдвиг, который потенциально может иметь значение для здоровья.

Для многомесячной экспедиции на МКС это один уровень риска. Для гораздо более продолжительного полета, например к Марсу, вопрос становится значительно серьезнее.

Изменения начинались быстро и не усиливались месяц за месяцем

Есть еще одна важная деталь.

Исследователи не увидели постепенного накопления метаболических изменений по мере увеличения времени пребывания в космосе. Основной сдвиг возникал вскоре после старта и сохранялся во время полета.

После посадки многие показатели достаточно быстро двигались обратно к исходному состоянию.

Это похоже не столько на медленно развивающееся повреждение, сколько на адаптацию метаболизма к другой среде.

Именно поэтому исследование интересно с практической точки зрения: если причина действительно связана с изменением скорости кишечного транзита и доступностью субстратов для бактерий, на этот процесс потенциально можно воздействовать.

Диета тоже изменилась, но не объясняет всей картины

У космических исследований питания есть очевидная проблема: рацион на МКС отличается от земного.

Поэтому можно предположить, что необычный химический профиль крови связан просто с другой едой.

Авторы специально рассмотрели эту возможность.

Примерно 27,5% изменявшихся молекулярных признаков были связаны с питанием. Например, во время полета снижались уровни кофеина и его метаболита параксантина, что указывает на уменьшение потребления кофеина.

Обнаружились и признаки изменений потребления рыбы и некоторых жиров.

Однако пищевые различия затрагивали менее трети метаболических изменений, связанных с полетом. Кроме того, производство продуктов белковой ферментации значительно различается между людьми даже при одинаковом рационе.

Поэтому одной только заменой земного меню космическим объяснить наблюдаемую картину трудно.

Исследователи также не обнаружили выраженных различий метаболического ответа между мужчинами и женщинами, хотя выборка была неравномерной: в исследовании участвовали 41 мужчина и только 11 женщин.

Возможно, космическому кишечнику нужно не меньше еды, а больше «медленной» клетчатки

Из работы следует интересная идея для будущих миссий.

Если кишечное содержимое действительно движется медленнее, бактериям нужно дольше обеспечивать доступ к углеводным субстратам. Поэтому авторы предлагают изучить увеличение количества медленно ферментируемых углеводов — прежде всего пищевых волокон.

Логика проста.

Если бактерии дольше получают подходящий углеводный источник энергии, момент их переключения на белки может отодвигаться. Тогда потенциально уменьшится и образование продуктов протеолитической ферментации.

Обсуждаются также пребиотики и способы ускорения кишечного транзита.

Но это пока направление для вмешательств, а не готовая схема профилактики. Исследование не проверяло, предотвращает ли дополнительная клетчатка обнаруженные метаболические изменения у астронавтов.

Для ответа потребуется отдельное контролируемое исследование.

Космос неожиданно становится моделью земной проблемы

Работа может оказаться интересна не только специалистам по космической медицине.

Авторы обращают внимание на людей с резко ограниченной подвижностью — например, длительно находящихся в постели пациентов. У них также часто возникает запор и замедляется кишечный транзит.

Если более длительное пребывание содержимого в толстой кишке действительно заставляет микробиоту активнее перерабатывать белки, похожий метаболический механизм теоретически может работать и на Земле.

Но исследование астронавтов этого не проверяло. Поэтому переносить результаты напрямую на малоподвижных пациентов пока нельзя.

Зато оно меняет само представление о запоре.

Скорость движения содержимого кишечника — это не только вопрос того, насколько регулярно человек посещает туалет. Она определяет, какие питательные вещества доступны микробам, сколько времени они находятся в кишечнике и какие химические соединения в результате производит микробиота.

Что исследование пока не доказало

Главное ограничение работы одновременно является ключом к ее правильному пониманию.

Исследователи измеряли метаболиты крови, но непосредственно не измеряли скорость кишечного транзита. Поэтому схема «микрогравитация → замедление кишечника → белковая ферментация» остается наиболее правдоподобным объяснением наблюдений, а не установленной причинностью.

Работа также является наблюдательной. Она не показывает, сможет ли клетчатка, пребиотик или другой способ ускорения транзита действительно изменить метаболический профиль астронавтов.

Есть и особенности выборки: 52 человека — крупная когорта по меркам исследований длительных космических полетов, но небольшая по обычным медицинским стандартам. Большинство участников были мужчинами, а образцы происходили из нескольких исследований и миссий 2006–2018 годов.

При этом сильная сторона работы — большое количество повторных измерений. Исследователи получили 488 образцов крови до, во время и после полетов и могли проследить изменения внутри одних и тех же людей.

Следующий логичный шаг — одновременно измерять скорость кишечного транзита, рацион, состав и функции микробиоты и метаболиты крови, а затем проверить вмешательства, способные изменить эту цепочку.