NASAの双子研究：優れた対照群だが、サンプル数は1

米国は人類を宇宙に送る壮大な計画を掲げています。その計画は、最初の宇宙飛行士の到着からまもなく20周年を迎える国際宇宙ステーションでの経験を基盤としています。その経験の一部は、低重力下での居住や活動に関する知識という形で蓄積されていますが、その大部分は、宇宙での時間が人体にどのような影響を与えるかを理解するためのものです。

本日、NASAはこれまでで最も大胆な実験の詳細な結果を発表しました。それは、一卵性双生児の片方を宇宙に送り込み、1年間にわたって両者を注意深く観察するというものでした。スコット・ケリー宇宙飛行士が地球に帰還してから3年、そして恐ろしいほど憶測に基づいた報道から1年後、本日発行の『サイエンス』誌に掲載された論文は、軌道上で1年間にわたりケリー氏の体に生じた変化について、痛ましいほど詳細な情報を提供しています。新たな論文で指摘された問題点の多くは以前から指摘されていましたが、今回の結果は米国の長期的な探査計画にとって必ずしも良いニュースとは言えません。

変更点

米国とロシアは、数々の長期宇宙滞在を通して、低重力下での長期滞在によって引き起こされる健康問題をいくつか特定してきました。その中には、比較的簡単に解決できるものもあります。重力の継続的な引力がなければ、骨や筋肉は、それらを強靭に保つための抵抗を受けません。しかし、綿密な運動計画によって、これらの問題を最小限に抑えることは可能です。しかし、最小限に抑えるのが難しいのは、体内の水分が上半身に移動することです。短期間で約2リットルの水分が上半身に移動します。その結果、宇宙飛行士が地球に帰還した後も続く可能性のある眼の問題があります。

もう一つの大きな問題は放射線被曝です。惑星間環境は高エネルギーの光と粒子で満ちていますが、そのほとんどは地球の大気と磁場によって遮られています。国際宇宙ステーションは大気による保護を放棄しており、月やそれ以降の宇宙への旅では、その両方が失われます。これらの粒子や光子は私たちの細胞に様々な損傷を与える可能性がありますが、最も懸念されるのはDNAを変化させ、宇宙飛行士のがんリスクを高めることです。

これらはすべて以前から知られていましたが、双子研究は、DNAやそこに含まれる遺伝子の変化のレベルを含め、非常に詳細に調査する機会を提供しました。さらに、血液や便のサンプルなどを通して、人間の生物学的特性を広範囲にモニタリングすることで、それほど明白ではない驚くべき変化を特定する機会も得られました。一卵性双生児の存在は、遺伝的変化を良好に制御する上で役立ちますが、論文自体にもあるように、「この特定の測定法において、宇宙飛行環境において被験者が一人だけの場合、因果関係を宇宙飛行に帰属させるか、偶然の出来事に帰属させるかは不可能であることに留意することが重要です」。

すべてがうまくいったわけではありませんでした。例えば、一部の細胞サンプルは国際宇宙ステーションからNASA（カザフスタン経由）までの40時間の旅の間、室温に置かれていました。そのため、研究者が測定しようとしていた酵素の活性が失われていました。しかし、十分な成果があったため、ケリー夫妻は地球上で最も綿密に記録された被験者と言えるでしょう。

新着情報？

ヒトゲノムには約2万個の遺伝子が含まれており、この研究ではスコット氏の宇宙滞在前、滞在中、そして滞在後のこれらの遺伝子の活動を調べました。活動が変化した遺伝子の正確な数は、調査した細胞（今回の場合は主に白血球の種類）によって異なりますが、通常は約500個でした。活動が変化した遺伝子の数は時間の経過とともに増加し、1年後の方が6ヶ月後よりも変化が多く見られました。また、宇宙で活動の変化を示した遺伝子の約4分の1は、ケリー氏が地球に戻った後も宇宙滞在前の状態に戻っていませんでした。

血液中に通常存在する数百種類の分子を対象とした同様の研究により、ケリー氏の代謝を垣間見ることができました。宇宙滞在中に、これらの分子のうち39種類に顕著な変化が見られました。その中には、DNA損傷や炎症の問題を示唆する代謝物も含まれていました。

DNA自体を観察すると、代謝産物が正確であることは明らかでした。宇宙滞在中の双子には、DNA断片の消失、別の染色体への移動、あるいはDNAの向きの反転など、放射線によるDNA損傷の広範な兆候が見られました。このDNA損傷は宇宙滞在期間中に蓄積され、ケリーが地球に帰還した後も増加し続けました。これは、幹細胞にさらなる損傷が生じており、その影響が現れるまでにはしばらく時間がかかることを示唆しています。

顕著な変化の一つは、染色体の末端にあるテロメアに見られました。テロメアは細胞が老化するにつれて縮み、分裂回数を制限する傾向があります。しかし、ケリー氏のテロメアは宇宙滞在中に約15%拡大しており、これは他の宇宙飛行士や宇宙に送られた実験動物でも確認されている現象です。驚くべきことに、ケリー氏が地球に帰還後、テロメアはわずか48時間で飛行前の長さに戻りました。これらの変化の意味は不明です。

さらなる変更

代謝物から示唆されたもう一つの兆候は炎症であり、これは免疫活動の変化の兆候です。免疫系に関与する多くの遺伝子が、これに一致する活動の変化を示しました。さらに、研究者らはサイトカインと呼ばれる62種類の免疫シグナル分子を調べたところ、そのほぼすべて（62種類中50種類）が飛行前、軌道上、そして帰還後のタイムラインで変化を示したことを発見しました。

これらはすべて、免疫機能不全の兆候である可能性があります。しかし、NASAはケリー氏に宇宙ステーション滞在中にインフルエンザワクチンの接種を依頼し、免疫系が適切に反応したことを確認済みです。したがって、これらの免疫変化が何を示唆しているのかは明らかではありません。

免疫システムは、私たちの体表や体内に生息するすべての細菌、つまりマイクロバイオームと広範囲に相互作用します。ケリー氏のマイクロバイオームは概ね安定していました。軌道上では特定の細菌種の相対的な量は変化しましたが、全体的な細菌種の豊富さは安定していました。

これらの分子検査の多くは、ケリー氏の宇宙への反応を垣間見る上で独自の視点を提供する一方で、NASAは以前に特定されていた問題も調査しました。ケリー氏は、長期間の宇宙滞在に特徴的な眼の症状に加え、心臓の変化（心拍出量の増加と血管拡張）も抱えていました。飛行中、彼は体重の7%を失いました。これは、食事量の減少に加え、飛行中の運動を制限する怪我によって骨と筋肉の喪失が引き起こされたことが一因です。

宇宙滞在が軽度の認知能力の低下につながるという兆候は以前からありました。ケリー氏は宇宙滞在中にこの兆候を経験しませんでした。実際、飛行中のテストでは、飛行前のテストと比較して認知速度が向上していることが示されました。問題は地球に帰還した後に発生しました。ほとんどのテストで認知速度が低下し、正確性も低下したのです。この影響は少なくとも6ヶ月間続き、その後テストは中止されました。

リスト画像: NASA