Beschermende materialen en pakken alleen lijken ons nog niet te helpen. We moeten ons daarom afvragen of er alternatieven zijn om de mens resistent te maken voor straling.

We kunnen er niet omheen: mensen gaan in de toekomst sowieso pogingen wagen om andere werelden te koloniseren. Niet alleen omdat we nieuwsgierige wezens zijn, maar ook omdat de wetenschap ons steeds verder helpt met het realiseren van dit idee. Uiteraard gebeurt dit nog niet vandaag of morgen, maar we kunnen ons wel al voorstellen dat dit binnen enkele decennia kan gebeuren. Hiervoor zullen we wel nog enkele problemen moeten zien te overwinnen, zoals straling.

Straling
Vanuit de ruimte bereikt kosmische straling voortdurend onze aarde. Deze ‘kosmische straling’ worden ook wel ‘kosmische stralen’ genoemd, maar bestaan eigenlijk vooral uit ‘kosmische deeltjes’. De oorsprong van deze deeltjes is (op volgorde van hoeveelheid energie): de zonnewind, andere sterren binnen onze Melkweg, supernova’s, of zelfs andere sterrenstelsels. Op aarde hebben we twee belangrijke schilden die ons afschermen van buitenaardse deeltjes. Allereerst hebben we een magnetisch veld dat deeltjes kan vangen (zie afbeelding hieronder). Er zijn echter ook deeltjes die door het aardmagnetisch veld heen komen. Deze krijgen dan te maken met het tweede schild: onze atmosfeer. Dit is een soort kogelwerend vest, dat de klap kan opvangen van hoog-energetische deeltjes. Als gevolg van deze botsingen tussen kosmische deeltjes en de aardatmosfeer, ontstaat er een deeltjeslawine van onder andere deeltjes met een veel lagere energie. Die kunnen ons wel bereiken op het aardoppervlak, maar zijn niet schadelijk voor mensen.

Interactie tussen deeltjes van de zon en galactische kosmische straling en het aardmagnetisch veld. Afbeelding: NASA / JPL-Caltech / SwRI.

In 1911 kwam de Oostenrijker Victor Franz Hess met gewaagde ballonvluchten er al achter dat hoe hoger je je in de atmosfeer bevindt, hoe groter de blootstelling aan hoog-energetische – ofwel gevaarlijke – straling is. Dit kan al een probleem zijn voor mensen die veel vliegen, maar zeker voor mensen die zich uiteindelijk ook buiten ons aardmagnetisch veld bevinden. De energetische deeltjes kunnen zonder bescherming dwars door onze huid gaan en onze cellen en DNA beschadigen. Bekende gevaren bij blootstelling aan een grote hoeveelheid straling zijn: stralingsziekte, kanker, schade aan het zenuwstelsel, genetische mutaties en oogaandoeningen. Daarnaast zagen we ook al dat 43% (3 op 7) van de al overleden Apollo-astronauten, overleden waren aan de gevolgen van hart- en vaataandoeningen. Zij zijn samen met hun 17 andere collega’s, de enigen die tot nu toe buiten ons aardmagnetisch veld zijn geweest en dus blootgesteld zijn aan zoveel straling. De relatie tussen de hart-en vaataandoeningen en kosmische straling wordt ondersteund door proeven op muizen.

Hier zie je astronaut John Young op de maan. Hij maakte deel uit van de Apollo 16-missie die heel aardig getimed was; als deze missie 5 maanden later was geweest, waren de astronauten blootgesteld geweest aan een enorme dosis straling, als gevolg van een enorme zonnevlam die losbarstte op 7 augustus, 1972. Afbeelding: NASA (via Wikimedia Commons).

Het grote probleem is vooral kosmische straling van buiten ons zonnestelsel. Dit wordt ook wel galactische kosmische straling (in het engels afgekort tot GCR) genoemd en bestaat met name uit atomen die hun elektronen verloren hebben (ioniserende straling). Door de grote hoeveelheid waterstof en helium in ons universum en door de hoge snelheden van deze deeltjes, bestaan GCR vooral uit protonen (85%), alfadeeltjes (12%), elektronen (2%) en de kernen van zware elementen (1%). Met name de kernen van zware elementen zijn de grootste boosdoeners voor astronauten. Daarnaast heb je nog deeltjes (met name protonen) afkomstig van de zon die vrijkomen bij zonnevlammen en plasmawolken, met een ietwat lagere energie, maar zeker niet ongevaarlijk voor missies binnen ons zonnestelsel. Ook deeltjes die gevangen worden door het aardmagnetisch veld kunnen een gevaar vormen voor astronauten die door het aardmagnetisch veld heenvliegen, maar dat is uiteraard eenmalig (of tweemalig in het geval van een retourtje).

Bescherming
De plannen voor langdurige ruimtereizen en kolonisatie liggen al geruime tijd op tafel. Alleen een goed plan om astronauten te weren tegen hoog-energetische straling ontbreekt nog. Hier lijkt verandering in te komen, nu onderzoekers onlangs een artikel in Oncotarget gepubliceerd hebben. Hierin leggen zij uit hoe astronauten kunnen worden beschermd tegen hoog-energetische straling in de ruimte, voor verre reizen naar bijvoorbeeld Mars. Laten we Mars dan ook eens als voorbeeld nemen. Allereerst heb je de reis er naartoe. Deze duurt ongeveer 180 dagen en hierbij worden astronauten voor lange tijd blootgesteld aan straling. Vervolgens ben je op Mars ook niet veilig, aangezien Mars geen magnetisch veld en nauwelijks een atmosfeer heeft. Als je een retourtje neemt, wordt er in het artikel geschat dat je uiteindelijk aan een stralingsdosis van 660 milliSievert (een duizendste van een Sievert, wat een maat is voor energie per massa-eenheid) kunt worden blootgesteld als je 500 dagen op Mars verblijft. Dit is al meer dan de helft van de totale dosis die NASA als limiet gesteld heeft voor astronauten. Bedenk dus dat een langer verblijf in de ruimte daarom geen optie is zonder bescherming.

Vergelijking blootstelling aan straling (let op dat dit een logaritmische schaal is). Bron: NASA.

Wat is dan de oplossing? Naast nieuwe materialen ontwikkelen, magnetische velden opwekken die zorgen voor stralingsbestendigheid voor ruimtevaartuigen, of ruimtepakken en speciale Mars-huizen, kun je astronauten ook helpen door middel van genetische modificatie, gentherapie, speciale medicatie en het vertragen van vitale functies (hibernatie). Het hoofddoel is om mensen radioresistent te maken. Dit betekent dat een mens veel beter beschermd is tegen ioniserende straling.

Manieren om gezondheidsrisico’s door straling in de ruimte te voorkomen. Bron: Oncotarget. 2018; 9:14692-14722. https://doi.org/10.18632/oncotarget.24461.

Ideeën
Het zou mogelijk moeten zijn om menselijke cellen radioresistenter te maken en op deze manier hoge niveaus van ioniserende straling te weerstaan en schade aan het DNA te minimaliseren. En als er toch schade ontstaat, zouden chromosomen kunnen worden gerepareerd of eventueel uitgeschakeld. Wetenschappers zijn al bezig met experimenten om radioresistent DNA, dat we al in ons lichaam hebben, beter tot uiting te laten komen en beschadigd weefsel door radioresistent weefsel te laten vervangen. Als voorbeeld worden in het artikel de bacterie Deinococcus radiodurans genomen die een mechanisme bezit, waardoor het wezentje zijn DNA heel goed kan herstellen na schade door straling en zo een dosering van 7000 Sievert kan overleven. Ook de haast aliën-achtige beerdiertjes zijn een goed voorbeeld (zie afbeelding hieronder). Die kunnen zich weren tegen 5000 Sievert, door DNA-herstel of anders door mechanismen die DNA-schade voorkomen. Het achterhalen van de mechanismen die deze wezens stralingsbestendig maken, is daarom zeker het bestuderen waard. Een mogelijkheid zou zijn om met behulp van gentherapie genen van deze stralingbestendige wezentjes te vertalen naar menselijke genen of zelfs over te zetten naar mensen.

Een beerdiertje. Afbeelding: Frank Fox / http://www.mikro-foto.de (via Wikimedia Commons).

Er kan ook gekeken worden naar huidige producten op de markt, zoals Ethyol (amifostine) en MedImmune, die worden ingezet bij behandeling van stralingstoxiteit. Daarnaast zouden bekendere middelen zoals kurkuma (geeft de gele kleur aan kerriesaus), quercetine (te vinden in onder andere appels, brocolli, kersen, kappertjes), epicatechine (te vinden in onder andere cacaobonen, rode wijn, thee) en ibuprofen helpen om schade door geïoniseerde straling te verminderen. Dit komt doordat deze middelen een vertragend effect hebben op veroudering. Dit is uiteraard nog niet voldoende om ons te weren tegen kosmische straling, maar het geeft wel aan dat er ook gekeken kan worden naar het verrijken van ruimtevoeding en gebruik van medicatie. Zo is bijvoorbeeld aangetoond dat het verrijken van water met deuterium (stabiel isotoop van waterstof) ervoor zorgt dat sommige schimmels, maar ook mensen, langer gezond blijven en zelfs beter bestand zijn tegen kanker, door bescherming tegen DNA-schade en mutaties. Een ander idee is om een groep cellen bloot te stellen aan hoge energieniveaus en de overlevende cellen dan te laten delen. Vervolgens herhaal je dit proces, waardoor je overblijft met de meest radioresistente cellen. Dit wordt experimentele evolutie genoemd.

Winterslaap
Bij ESA wordt er onderzoek gedaan naar hibernatie. Dit is een soort winterslaap. Aangezien een ruimtevaartuig zelfstandig zou kunnen vliegen en astronauten zich enorm zullen vervelen gedurende de reis – met alle psychologische gevolgen van dien – is dit geen slecht idee. Door hibernatie kunnen ook de stofwisseling en vitale processen van de astronauten enorm afgeremd worden, waardoor de kans op problemen veroorzaakt door cellen die door straling beschadigd zijn geraakt, kleiner is. Vervolgens moeten mensen dan bij aankomst op de bestemming wel wakker worden gemaakt en probleemloos verder kunnen leven. Hibernatie zou in theorie zelfs gebruikt kunnen worden voor missies naar planeten op lichtjaren van onze aarde. In het artikel in Oncotarget wordt er zelfs een stapje verder gegaan door voor te stellen dat we in de toekomst misschien een verzameling ingevroren ‘kiemcellen’ naar een verre planeet kunnen sturen, waaruit dan een nieuwe populatie mensen kan komen.
In het artikel wordt afgesloten met een idee om kunstmatige intelligentie te gebruiken. Diepe neurale netwerken (een vorm van machinaal leren) kunnen worden getraind om de gezondheid van ruimtereizigers bij te houden, zodat er al op tijd maatregelen kunnen worden genomen. Ook kunnen op deze manier astronauten een op maat gemaakte behandeling of medicatie krijgen, omdat kunstmatige intelligentie erg goed kan zijn in het uitzoeken welke cel resistenter is dan andere.

Interview
We hadden ook contact met twee auteurs van het artikel: Sarah Baatout en Marjan Moreels. Zij zijn werkzaam bij het onderzoekscentrum SCK•CEN in Mol (België). Sarah Baatout is ook professor aan de universiteit van Namen en gastdocent aan de universiteit van Gent. Het laboratorium waar Baatout en Moreels werkzaam zijn, werkt op het gebied van stralingseffecten samen met de Amerikaanse, Canadese en Russische ruimtevaartorganisaties voor verschillende ruimtevaartprojecten. Volgens hen is een eerste veelbelovende stap voor ruimtemissies het selecteren van de beste astronauten op het gebied van radiosensitiviteit. 5-10% van de mensen is radiosensitief en 5-10% is radioresistent. Als we beter worden in het uitlezen van het menselijk genoom, kunnen we de meest radioresistente mensen uitkiezen om bijvoorbeeld naar Mars te gaan. Op dit moment wordt er al gewerkt aan het genetisch screenen van patiënten die radiotherapie ondergaan, zodat afhankelijk van de radiosensitiviteit de juiste dosis straling gebruikt kan worden voor behandelingen. Een ander interessant – en volgens Sarah Baatout en Marjan Moreels veelbelovend – idee is het 3D-bioprinten in de ruimte. Als astronauten bevroren celculturen mee aan boord nemen, kunnen zij via 3D-bioprinten hun cellen opnieuw laten groeien wanneer een orgaan of weefsel disfunctioneel wordt. Ook interessant is de mogelijkheid om cellen te beschermen tegen sterfte (apoptose genoemd). Hier wordt momenteel al veel onderzoek naar gedaan bij ziektes zoals Parkinson en Alzheimer. Het risico is wel dat een cel onsterfelijk zou kunnen worden en net als een kankercel veel te snel zou kunnen groeien en dan schade zou aanrichten.

Tijdens lange ruimtereizen en eenmaal op de plek van bestemming zullen astronomen hun eigen voedsel moeten gaan verbouwen. Maar ook dat is geen gelopen race, zo vertelde Wieger Wamelink eerder al aan Scientias.nl. Afbeelding: NASA.

Naast straling zijn er nog een heleboel andere problemen die we moeten oplossen voordat we mensen verder de ruimte in kunnen sturen. Zo hebben we te maken met de psychologische veranderingen van mensen die lange tijd in de ruimte verblijven, ook zijn er fysische problemen die ontstaan door het langdurig leven in microgravitatie (hier wordt uiteraard veel onderzoek naar gedaan in het internationale ruimtestation). Volgens Sarah Baatout en Marjan Moreels is het ook een probleem om in de ruimte voldoende voedsel dat bovendien de nodige voedingsstoffen bevat en behoudt, te produceren. Daarnaast is de medicatie die mee aan boord gaat niet lang houdbaar. Zeker in de ruimte blijkt de werking van medicijnen erg snel af te nemen. De dosering kan worden verhoogd en speciale coatings of bescherming kunnen worden aangebracht. Hier zal dan ook nog veel onderzoek naar moeten worden gedaan.

Conclusie
De in dit artikel genoemde oplossingen lijken misschien een behoorlijk hoge sciencefiction-waarde te hebben. Maar onthoud: ze worden allemaal al onderzocht en/of zijn in theorie mogelijk. Het doel van het artikel in Oncotarget is dan ook vooral alle mogelijkheden op een rij zetten, zodat er meer aandacht komt voor dit onderwerp. Met deze aandacht hopen de (astro)biologen en biotechnologen dat onderzoek naar middelen om schade door straling tegen te gaan dan ook versneld wordt en er meer budget komt voor dit soort onderzoeken. Met alleen beschermende materialen gaan we het waarschijnlijk niet redden.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook een artikel over de Parker Solar Probe: een ruimtesonde die binnenkort de zon gaat ‘aantikken’.