Nieuw onderzoek toont de werkzaamheid aan van een speciaal samengestelde verbinding bij het voorkomen van botverlies bij ruimtereizende muizen. Deze doorbraak zou een oplossing kunnen bieden voor astronauten en osteoporosepatiënten hier op aarde. Een nieuwe studie die vandaag (18 september) is gepubliceerd in het Nature-partnertijdschrift npj Microgravity heeft ontdekt dat het geven van een samengestelde verbinding aan muizen aan boord van het Internationale Ruimtestation (ISS) ruimtetijdgerelateerd botverlies grotendeels heeft voorkomen.
De studie, geleid door een interdisciplinair team van professoren aan de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA) en het Forsyth Institute in Cambridge, Massachusetts, benadrukt een veelbelovende therapie om het extreme botverlies te verminderen dat wordt veroorzaakt door langdurige ruimtereizen en degeneratie van het bewegingsapparaat op aarde.
Door microzwaartekracht veroorzaakt botverlies is lange tijd een belangrijk probleem geweest bij langdurige ruimtemissies. De verminderde mechanische belasting veroorzaakt door microzwaartekracht veroorzaakt botverlies in een tempo dat 12 keer hoger is dan op aarde. Astronauten in een lage baan om de aarde kunnen botverlies tot 1% per maand ervaren, wat de gezondheid van de botten van astronauten in gevaar zou brengen en het risico op fracturen zou vergroten tijdens langdurige ruimtevluchten en later in hun leven.
De huidige strategieën om botverlies te verminderen zijn afhankelijk van door inspanning veroorzaakte mechanische belasting om de botvorming te bevorderen, maar deze strategie is verre van perfect voor bemanningen die maximaal zes maanden aan microzwaartekracht worden blootgesteld. Oefening voorkomt niet altijd botverlies, kost kostbare tijd van de inzittenden en kan een contra-indicatie zijn voor bepaalde soorten verwondingen.
De nieuwe studie onderzocht of systemische toediening van NELL-achtig molecuul-1 (NELL-1) het door microzwaartekracht geïnduceerde botverlies zou kunnen verminderen. De studie werd geleid door Chia Soo, MD, universitair hoofddocent van de afdeling Plastische Chirurgie en hoogleraar chirurgie en orthopedische chirurgie aan de David Geffen School of Medicine aan de UCLA. NELL-1, ontdekt door Kang Ting, MD, van het Forsyth Institute, is van cruciaal belang voor de botontwikkeling en het behoud van de botdichtheid. Professor Ding heeft ook meerdere onderzoeken geleid die aantonen dat lokale toediening van NELL-1 spier- en skeletweefsel zoals botten en kraakbeen kan regenereren.
Systemische levering van NELL-1 op het internationale ruimtestation vereiste dat het onderzoeksteam het aantal injecties tot een minimum moest beperken. Ben Wu, Ph.D., en Yulong Zhang, Ph.D., van het Forsyth Institute, verbeterden het therapeutische potentieel van NELL-1 door de halfwaardetijd van het NELL-1-molecuul te verlengen van 5,5 uur naar 15,5 uur zonder de biologische activiteit te verliezen, en creëerden een ‘slim’ BP-NELL-PEG-molecuul door bioconjugatie van een inert bisfosfonaat (BP) dat zich specifieker kan richten op botweefsel zonder de vaak voorkomende schadelijke effecten van BP.
De Soo- en Ting-teams voerden vervolgens een uitgebreide evaluatie uit van het verbeterde molecuul om de effectiviteit en veiligheid van BP-NELL-PEG op aarde te bepalen. Ze ontdekten dat BP-NELL-PEG een uitstekende specificiteit voor botweefsel heeft zonder duidelijke nadelige effecten te veroorzaken.
Om de bruikbaarheid van BP-NELL-PEG onder werkelijke ruimteomstandigheden te bepalen, werkten de onderzoekers samen met het Center for the Advancement of Space Science (CASIS) en de National Aeronautics and Space Administration (NASA) Ames Branch om uitgebreide voorbereidingen te treffen voor de ruimtevaart. De helft van de ISS-muizen werd maximaal negen weken blootgesteld aan een microzwaartekrachtomgeving ("TERM-vlucht") om de uitdagingen van langdurige ruimtereizen te simuleren, terwijl de overige muizen 4,5 weken na de lancering in de ruimte werden teruggevlogen naar de aarde. eerste live muisterugkeer in de Amerikaanse geschiedenis ("LAR-vlucht"). Zowel de TERM-groep als de LAR-vluchtgroep ontvingen een behandeling met BP-NELL-PEG of een fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) controlegroep. Een gelijk aantal muizen blijft in het Kennedy Space Center achter als een normale aardse zwaartekracht ("grond") controlegroep en wordt ook behandeld met BP-NELL-PEG of PBS.
De botvorming was significant toegenomen bij zowel vliegende als grondmuizen die werden behandeld met BP-NELL-PEG. Muizen die in de ruimte en op aarde werden behandeld, hadden geen duidelijke nadelige gevolgen voor hun gezondheid.
"Onze bevindingen zijn veelbelovend voor toekomstige verkenning van de ruimte, vooral voor missies waarbij langdurig verblijf in microzwaartekrachtomgevingen betrokken is", zegt hoofdauteur Chia Soo. "Als studies bij mensen dit bevestigen, zal BP-NELL-PEG een effectief hulpmiddel zijn in de strijd tegen botverlies en degeneratie van het bewegingsapparaat, vooral in situaties waarin traditionele weerstandstraining onmogelijk is vanwege blessures of andere invaliderende factoren."
"Deze bio-engineeringstrategie zou ook hier op aarde belangrijke voordelen kunnen hebben en een potentiële therapie kunnen bieden voor patiënten die lijden aan extreme osteoporose en andere botgerelateerde ziekten", zegt co-hoofdonderzoeker Ben Wu.
"De volgende stap zal UCLA-projectwetenschapper Pin Ha, MD, PhD, MS, toezicht houden op de analyse van de gegevens over de terugkeer van levende dieren. We hopen dat dit enig licht zal werpen op hoe toekomstige astronauten kunnen helpen herstellen van langere ruimtemissies."