Vægtløshed får tarmbakterier til at skifte brændstof

Forstoppelsen melder sig få dage efter opsendelsen. Astronauten Elena mærker et voksende tryk i maven, mens hun svæver gennem modulerne på Den Internationale Rumstation. Hun spiser og træner efter planen, men tarmen arbejder langsommere end hjemme på Jorden.

Elena er fiktiv, men problemet er velkendt blandt astronauter. Nu giver et studie fra Københavns Universitet, NASA og University of Houston et nyt indblik i, hvad der sker i kroppen under ophold i rummet.

En af hovedforfatterne er Lars Ove Dragsted, professor ved Institut for Idræt og Ernæring på Københavns Universitet. Ifølge ham tegner ændringerne i astronauternes stofskifte et samlet billede af, at tarmbakterierne begynder at fermentere mere protein. Forskerne vurderer, at skiftet hænger sammen med den træge tarmfunktion, som mange astronauter oplever i vægtløshed.

“Nogle af de metabolitter, vi ser, kommer fra fermentering af protein. Det er et ret specielt billede, som vi blandt andet kender fra forstoppelse,” siger Lars Ove Dragsted og fortsætter:

“Mere grundvidenskabeligt peger det på, at tyngdekraften er en vigtig faktor for tarmfunktionen. Uden tyngdekraft kan vi meget hurtigt se, at metabolismen ændrer sig.”

Blodprøverne afslører et nyt mønster i rummet

Idéen til det nye studie opstod, da Lars Ove Dragsted og NASA-forskeren Scott M. Smith så tilbage på de forsøg, der allerede var gjort på at følge astronauternes stofskifte gennem en rumrejse. I NASA’s tvillingestudie tilbragte den ene af to enæggede brødre et år på Den Internationale Rumstation, mens den anden blev på Jorden.

Analysen viste en række forskelle mellem dem, også i stoffer fra tarmbakterierne. Ét tvillingepar gav dog et for spinkelt grundlag til at afgøre, hvilke forandringer der skyldtes rumrejsen, og hvilke der udsprang af forskelle mellem de to brødre.

Nogle år senere undersøgte en anden forskergruppe blodprøver fra 51 astronauter med NMR-spektroskopi, hvor molekylernes signaler i et kraftigt magnetfelt bruges til at kortlægge dele af stofskiftet. Analysen viste især forskelle mellem prøver taget før opsendelsen og efter hjemkomsten, men stadig ikke noget klart billede af, hvad der skete under selve opholdet i rummet.

“De kunne godt finde noget, der adskilte dem, men det var svært at finde ud af, hvad der betød noget,” siger Lars Ove Dragsted.

Erfaringerne pegede på behovet for både flere prøver og en analyse, der kunne opfange flere og mindre kemiske forandringer. Dragsted og kollegerne analyserede derfor 488 blodprøver fra 52 astronauter taget før opsendelsen, flere gange under opholdet på rumstationen og efter hjemkomsten.

Med metabolitprofilering kunne forskerne følge de samme astronauter gennem hele forløbet og samtidig registrere et bredt udsnit af blodets mange små molekyler. Først lod de ændringerne træde frem af det samlede mønster og undersøgte derefter, hvilke stoffer og biologiske processer der lå bag.

“Vi stiller åbne spørgsmål til Moder Natur. Det kan man med denne teknologi. Ud fra det, man ser, kan man så danne en hypotese, som skal testes,” siger Lars Ove Dragsted.

De mest følsomme målinger fangede også spor fra prøverørene

Astronauterne har opholdt sig mellem to og ni måneder på Den Internationale Rumstation. Ombord tager de selv blodprøverne og fryser dem ned, indtil de kan fragtes tilbage til Jorden og sendes til analyse hos Dragsted og kollegerne på Københavns Universitet.

Her adskiller Giorgia La Barbera, analytisk kemiker og delt førsteforfatter på studiet, sammen med kolleger først blodets mange små stoffer med væskekromatografi, hvorefter deres masse og elektriske ladning måles med højopløselig massespektrometri.

På den måde efterlader hvert stof et kemisk fingeraftryk, som kan følges før, under og efter rumrejsen og identificeres nærmere med MS/MS-analyse.

Metodens følsomhed blev samtidig studiets største udfordring. Blodprøverne var oprindelig indsamlet til andre NASA-studier og var derfor ikke taget og opbevaret ens. På Jorden blev plasmaet i nogle tilfælde fjernet fra røret før nedfrysningen, mens astronauterne ombord frøs blodet direkte i røret.

“Prøverne var ikke indsamlet med metabolitprofilering for øje, og det gav os en stor udfordring. Metoden er så følsom, at forskelle i, hvordan prøverne er taget og opbevaret, kan give signaler, der er lige så kraftige som de biologiske ændringer, vi faktisk leder efter,” siger Jan Stanstrup, adjunkt ved Institut for Idræt og Ernæring på Københavns Universitet og delt førsteforfatter på studiet.

Derfor måtte signaler fra prøverør og opbevaring sorteres fra, forskelle mellem analyserunderne korrigeres og målinger, der ikke bestod kvalitetskontrollen, fjernes.

“Vi skulle skille den tekniske variation fra de ændringer, der faktisk hang sammen med rumopholdet. Det var et enormt arbejde, men først efter den oprydning havde vi et datasæt, hvor vi med rimelig sikkerhed kunne se det biologiske signal,” siger Jan Stanstrup.

Tarmbakterierne skifter fra kulhydrat til protein

Efter oprydningen i data står forskerne med en gruppe metabolitter, som ændrer sig under opholdet i rummet. Henrik Munch Roager, mikrobiolog og medforfatter på studiet, genkender flere af dem fra tidligere undersøgelser som stoffer, der forbindes med tarmbakteriers nedbrydning af protein.

“Et enkelt metabolit fortæller os ikke ret meget, fordi det samme stof kan ændre sig af flere grunde. Det interessante opstår, når flere metabolitter, der hører til den samme biologiske proces, begynder at ændre sig samtidig,” siger Henrik Munch Roager, lektor og leder af forskningsgruppen Nutrition, Microbiome & Metabolomics ved Institut for Idræt og Ernæring på Københavns Universitet.

Forskerne ledte derfor efter de øvrige kemiske spor, man ville forvente ved øget proteinfermentering. Flere beslægtede nedbrydningsprodukter stiger samtidig, mens mængden af tyrosin – en aminosyre, som bakterierne kan bruge som brændstof – falder.

“Da vi først så en del af mønstret, kunne vi spørge, om de andre brikker, vi ville forvente, også var der. Det var de, og samlet set styrker det hypotesen om, at tarmbakterierne fermenterer mere protein under rumopholdet,” siger Henrik Munch Roager.

Vægtløshed kan være det første led i kæden

Næste spørgsmål var, hvorfor bakterierne skiftede over til protein. De kendte processen fra personer, hvor indholdet bevæger sig langsomt gennem tyktarmen: Bakterierne lever først af kulhydrater og fibre fra maden, men når kulhydraterne slipper op, begynder de at nedbryde aminosyrer fra protein.

Træg mave og forstoppelse er samtidig et velkendt problem blandt astronauter. Mistanken er derfor, at vægtløsheden får tarmindholdet til at bevæge sig langsommere, så bakterierne når at opbruge kulhydraterne. Fraværet af tyngdekraft kan dermed være det første led i en kæde, der ender med øget proteinnedbrydning og ændrede metabolitter i blodet.

“Gravitation har vi jo hele tiden på Jorden, så vi går ikke og tænker på, at den kan være en afgørende faktor for vores tarmfunktion. Her fik vi mulighed for at se, hvad gravitation betyder, fordi det ikke er noget, vi kan teste på Jorden,” siger Lars Ove Dragsted.

Proteinnedbrydningen interesserer forskerne, fordi bakterierne danner andre stoffer, end de gør, når de lever af kulhydrat. Proteinfermentering kan føre til blandt andet ammoniak og svovlbrinte. Flere af de metabolitter, som stiger hos astronauterne, er desuden i tidligere undersøgelser blevet forbundet med skadelige virkninger på celler og organer.

Mønstret peger på en risiko - men beviser ikke årsagen

Blodprøverne viser dog ikke, hvor hurtigt indholdet passerer gennem astronauternes tarme. Forskerne kan derfor ikke fastslå, at vægtløsheden er årsag til den øgede proteinfermentering. Men blodets metabolitter, astronauternes udbredte problemer med forstoppelse og tidligere viden om langsom tarmpassage understøtter ifølge Dragsted den samme forklaring.

Det aktuelle studie viser heller ikke, at stofferne gør astronauterne syge. Forskerne har hverken undersøgt organskader eller beregnet den enkelte astronauts sygdomsrisiko. Fundet peger på en mulig belastning, som kan få større betydning under lange missioner, hvis tarmbakterierne fortsætter med at danne nedbrydningsprodukterne gennem mange måneder.

Den biologiske forklaring giver samtidig forskerne et konkret bud på, hvordan processen kan bremses. Dragsted peger på udvalgte blandinger af langsomt fermenterbare fibre, som kan holde kulhydrat tilgængeligt længere gennem tyktarmen og dermed udsætte bakteriernes skifte til protein.

“Bakterierne skifter i høj grad over til at fermentere protein og danne de her stoffer, når kulhydraterne er brugt op. Hvis fibrene er langsomt fermenterbare, tager det længere tid at nedbryde dem, og så vil der være kulhydrat til rådighed i længere tid,” forklarer han.

Astronauterne skal altså ikke spise mindre protein. I stedet kan måltiderne ifølge Dragsted tilpasses, så langsomt fermenterbare fibre fordeles over dagen og giver bakterierne adgang til kulhydrat gennem en større del af tarmens passage.

Nye studier skal teste både årsagen og løsningen

Rumopholdet gør tyngdekraftens mulige betydning for tarmen synlig på en måde, som er vanskelig at efterligne på Jorden. Det får Dragsted til at overveje, om fundet også kan være relevant for mennesker, der ligger ned gennem lange perioder. Meget sengeliggende patienter mister ikke tyngdekraften, men kroppens stilling og den begrænsede bevægelse kan påvirke, hvor hurtigt indholdet passerer gennem tarmen.

Denne mulighed indgår ikke i studiet og er foreløbig Dragsteds egen hypotese. Et studie af sengeliggende patienter skulle undersøge, om deres blod eller urin indeholder det samme mønster af metabolitter som astronauternes, og samtidig måle tarmens passagetid.

“Jeg er ret sikker på, at det også har betydning for vores tarmsystemer på Jorden. Det vil være interessant at se på sengeliggende patienter og undersøge, om vi finder noget tilsvarende hos dem,” siger han.

De enkelte led i forklaringen mangler også at blive dokumenteret hos astronauterne. Et kommende forsøg skal måle tarmens passagetid under rumopholdet og følge metabolitterne samtidig. Det kan vise, om tarmen faktisk bliver langsommere, før bakteriernes proteinnedbrydning tager til.

Kostforslaget skal også prøves af. Astronauter skal have flere langsomt fermenterbare fibre, mens forskerne følger både tarmfunktionen og dannelsen af metabolitter. Først da kan de afgøre, om fibrene holder bakterierne på kulhydrat og dæmper dannelsen af de potentielt skadelige nedbrydningsprodukter.

“Vores studie er observerende, så vi kan ikke konkludere med sikkerhed om årsag og virkning. Der mangler stadig et forsøg, som kan vise, om hypotesen er korrekt,” siger Lars Ove Dragsted.

Hans egen forskergruppe har i øjeblikket ikke finansiering til at føre astronautsporet videre, men La Barbera overvejer at søge Det Europæiske Rumagentur om midler til at fortsætte samarbejdet. Ideen er stadig på et tidligt stadium, og der er brug for yderligere studier, der måler tarmfunktionen direkte og afprøver ændringer i kosten.

Først da kan forskerne afgøre, om flere fibre kan beskytte astronauternes tarme på fremtidens længere rumrejser.