Terwijl mensen zich voorbereiden om dieper de ruimte in te gaan, inclusief mogelijke reizen naar Mars, onderzoekers zijn hard aan het werk om de effecten van lage zwaartekracht en straling op de lichamen van ruimtereizigers te begrijpen en te verminderen.

"Mensen zien technologie als de beperkende factor in ruimtevluchten, maar dat is het niet, " zei Thomas Lang, doctoraat, een professor in radiologie en biomedische beeldvorming aan de UC San Francisco. "Menselijke fysiologie is de beperkende factor."

Ruimtevaart lijkt een bijzonder opmerkelijk effect te hebben op het bewegingsapparaat, cardiovasculaire en immuunsysteem. Veel van de veranderingen die onderzoekers zien als gevolg van ruimtevluchten zijn vergelijkbaar met die bij veroudering, hoewel ze veel sneller in de ruimte gebeuren.

"We zijn afgestemd op het leven in zwaartekracht, ' zei Lang.

Terwijl particuliere ruimtevaartbedrijven en NASA strijden om als eerste op Mars te landen, UCSF-onderzoekers, en vele anderen in het hele land, bestuderen de effecten van ruimtereizen - en proberen manieren te vinden om die effecten te compenseren.

Botverlies, Rugpijn en gedroogde pruimen

Sinds de eerste Apollo-ruimtevluchten in de jaren '60 en '70, de effecten van ruimte op spieren en botten zijn duidelijk. Na slechts acht dagen in een baan om de aarde, de Apollo-astronauten waren zo zwak dat ze uit hun landingscapsules moesten worden getrokken.

In de volgende decennia, astronauten, zoals die op het International Space Station (ISS), begonnen te oefenen om hun botten en spieren geconditioneerd te houden tijdens hun verblijf van zes maanden. Nog altijd, veel astronauten hebben jarenlang rugpijn nadat ze op aarde zijn teruggekeerd.

Om erachter te komen waarom de rugpijn optreedt na blootstelling aan lage zwaartekracht, Jeffrey Lotz, doctoraat, de David Bradford Endowed Chair of Orthopedic Surgery aan de UCSF, bestudeerde onlangs de ruggengraat van astronauten na hun tijd in de ruimte.

Wat hij vond verraste hem.

Hij had zich voorgesteld dat de rugpijn voortkwam uit door het water gezwollen schijven die er normaal gesproken uit zouden worden geperst door een rechtopstaande houding in de zwaartekracht aan te houden. In plaats daarvan, hij ontdekte dat de oorzaak van de rugpijn de deconditionering van de multifidusspieren was, kleine spieren die de wervels verbinden en ondersteunen.

Lotz werkt samen met NASA aan het ontwikkelen van een programma van multifidus-oefeningen die astronauten kunnen doen binnen de beperkingen van een ruimteschip zonder zwaartekracht.

Lichaamsbeweging is niet alleen belangrijk voor spierkracht, maar ook voor de gezondheid van de botten, en Lang bestudeert al tientallen jaren het effect van ruimtereizen op botten. "Botten zijn niet alleen een hard raamwerk, " zei hij. "Ze groeien en herstellen zichzelf als reactie op het dragen van lasten tegen de zwaartekracht in."

Een gebrek aan zwaartekracht onderbreekt de natuurlijke cyclus van de botfunctie, wat ongeveer als volgt gaat:botcellen die osteocyten worden genoemd, detecteren gebieden met verminderde belasting of schade aan botweefsel, andere cellen triggeren, osteoclasten genoemd, om bot te resorberen dat niet langer nodig is om aan de belasting te voldoen of dat is beschadigd door herhaalde belasting. Het werk van osteoclasten triggert nog een andere cel, de osteoblast, om naar binnen te gaan en het bot weer op te bouwen waar het nodig is.

Bij afwezigheid van zwaartekracht lijkt de wederopbouw niet te gebeuren als gevolg van de verminderde belasting van het bot. Dit kan astronauten tijdens hun missies in gevaar brengen voor botverlies en breuken. Daniël Fiets, MD, doctoraat, hoogleraar geneeskunde en dermatologie, met behulp van muisstudies, vastgesteld dat microzwaartekracht de communicatie tussen botcellen beïnvloedt die nodig zijn voor het botgroei- en herstelproces.

"Het is een bidirectionele signaalroute, " zegt Bikle. "De botcellen regelen elkaars functie." Gebrek aan zwaartekracht veroorzaakt een onderbreking in die signalering, en de osteoclasten blijven bot resorberen, maar de osteoblasten vullen het niet aan. Bikle gelooft dat ditzelfde pad mogelijk betrokken is bij osteoporose. Als, het ontrafelen van de details zou inzicht moeten verschaffen waar een populatie veel groter dan ruimtereizigers baat bij hebben.

Lang beoordeelde de botdichtheid van astronauten die terugkeerden van het ISS en ontdekte dat na zes maanden, ze hadden tussen de 6 en 9 procent van de totale botdichtheid van hun heupen verloren - ongeveer evenveel in een maand als een postmenopauzale vrouw in een jaar. In een onderzoek gericht op botverlies in de heup, Lang en collega's ontdekten dat een jaar na de vlucht, de totale botmassa was bijna volledig hersteld, maar het herstelde bot werd herverdeeld, resulterend in een botarchitectuur die lijkt op die van een oudere persoon.

Blootstelling aan straling, naast microzwaartekracht, tijdens ruimtevluchten veroorzaakt botverlies voor astronauten, hoewel een studie wijst op een verrassend recept hiervoor.

Bernard Halloran, doctoraat, een professor in de afdeling geneeskunde, ontdekte dat muizen die werden bestraald en een dieet kregen dat pruimenpoeder bevatte, aanzienlijk minder bot verloren.

Zijn volgende stappen zijn om te onderscheiden welke verbindingen in de pruimen verantwoordelijk zijn voor het effect. "Deze aanpak belooft veel, maar het is niet zo simpel als mensen de ruimte in sturen met een vrachtwagen vol pruimen, " zei hij. "We moeten de verbinding isoleren en in een pil stoppen."

Kern van de zaak:het cardiovasculaire systeem

De straling en lage zwaartekracht van de ruimte heeft ook een impact op het vasculaire systeem van het lichaam, het veroorzaken van problemen met de bloedsomloop voor astronauten wanneer ze terugkeren naar de aarde en een verhoogd risico op een hartaanval later in het leven.

Marleen Grenon, MD, universitair hoofddocent vaatchirurgie, heeft al lang interesse in de effecten van ruimtevluchten op het vasculaire systeem. "Astronauten zijn in goede vorm, en oefenprotocollen maken deel uit van hun leven, "zei Grenon. "Dus we willen weten wat hier aan de hand is. Is het straling? Zwaartekracht? Andere fysiologische factoren?"

Grenon, die een diploma in ruimtewetenschappen heeft van de International Space University en de eerste cursus van UCSF heeft ontwikkeld over het effect van ruimtevluchten op het lichaam, heeft de effecten bestudeerd van gesimuleerde microzwaartekracht op de functie van vasculaire endotheelcellen die de binnenkant van bloedvaten bekleden.

Grenon kweekte deze cellen en plaatste ze in een omgeving die een zeer lage zwaartekracht simuleerde. Ze ontdekte dat het gebrek aan zwaartekracht een afname veroorzaakt in de expressie van bepaalde genen in de cellen die de hechting van plaque aan de vaatwand beïnvloeden. Hoewel de implicaties van deze veranderingen nog niet duidelijk zijn, het is duidelijk dat een gebrek aan zwaartekracht de celfunctie beïnvloedt.

In aanvulling, eerder werk van Grenon toonde aan dat microzwaartekracht veranderingen veroorzaakt in de cellen die elektriciteit in het hart geleiden, waardoor astronauten het risico lopen op hartritmestoornissen.

Grenons collega Sonja Schrepfer, MD, doctoraat, en Tobias Deuse, MD, ook professoren in de chirurgie, helpen stukjes van die puzzel samen te voegen door te bepalen welke veranderingen in de functie van vasculaire cellen zichtbaar zijn na ruimtevlucht.

Schrepfer bestudeerde in 2016 de vasculaire systemen van muizen die tijd op het ISS hadden doorgebracht, evenals vasculaire cellen gekweekt in een microzwaartekrachtomgeving op aarde. Haar team analyseert nog steeds hun gegevens, maar tot nu toe lijkt het erop dat de wanden van de halsslagaders dunner werden bij muizen in de ruimte, mogelijk omdat de lagere zwaartekracht minder bloeddruk vereiste voor de bloedsomloop.

Het team ontdekte ook dat de gekweekte cellen veranderingen in genexpressie en controle vertoonden die lijken op veranderingen die worden waargenomen bij patiënten met hart- en vaatziekten op aarde.

Hoewel deze veranderingen misschien niet schadelijk zijn voor de microzwaartekracht van het ruimtestation, op aarde resulteren ze in een slechte bloedcirculatie.

"Als astronauten terugkeren naar de zwaartekracht van de aarde, spierzwakte is slechts een deel van de reden waarom ze niet kunnen opstaan, "Zei Schrepfer. "Ze krijgen ook niet genoeg bloed naar hun hersenen, omdat hun vaatfunctie is aangetast."

Er is hoop:Schrepfer en haar team hebben een klein molecuul geïdentificeerd dat voorkomt dat vaatwanden dunner worden bij muizen. Zij en haar team zijn van plan om in de nabije toekomst veiligheidsproeven met dat molecuul op mensen te doen.

Immuunsysteem en celherstel

Schrepfer heeft ook een prijs ontvangen voor het bestuderen van effecten van microzwaartekracht op het immuunsysteem als een model van veroudering, zowel in de ruimte als na terugkeer naar de aarde. Ze heeft een geestverwant in Millie Hughes-Fulford, doctoraat, adjunct-hoogleraar geneeskunde en de eerste vrouwelijke wetenschapper die in de ruimte werkte. Hughes-Fulford voerde experimenten uit aan boord van de Columbia-ruimtependel in 1991, en onderzoekt sinds ongeveer 2003 de veranderingen in genexpressie in T-cellen in de ruimte.

"Meer dan de helft van de Apollo-astronauten had een soort van immuunprobleem, "zei ze. "Dus, we wisten toen dat het immuunsysteem niet goed werkte in de ruimte."

In haar huidige werk kijkt ze niet alleen naar genexpressie, maar ook naar de rol van microRNA (miRNA) – kleine moleculen die genen aan of uit kunnen zetten. Haar onderzoek onthulde vijf van deze miRNA's, elk waarvan gecontroleerde genen die T-cellen activeren, werkten niet naar behoren.

"Voor dit, we zouden kunnen zeggen dat de genen niet werden aangezet, maar we wisten niet waarom, " zei Hughes-Fulford. "Nu kennen we de regulatoren van de genen."

Deze veranderingen zijn dezelfde als bij veroudering, waardoor ouderen een minder robuust immuunsysteem hebben. In de ruimte, Hoewel, de veranderingen beginnen na 30 minuten op te treden, terwijl ze bij een mens 30 jaar kunnen duren. Het onderzoek van Schrepfer en Hughes-Fulford kan mensen helpen die in de ruimte reizen, maar is ook een kans om veranderingen te bestuderen die gedurende decennia op aarde een uitdaging kunnen zijn om te volgen.

Aan de andere kant, sommige onderzoeken bevestigen dat andere fysiologische functies ruimtevluchten kunnen doorstaan.

Fathi Karouia, doctoraat, een professionele onderzoeker in de UCSF School of Pharmacy en wetenschapper bij NASA Ames Research Center, was betrokken bij een onderzoek dat aantoont dat het proces van DNA-herstel - essentieel voor de gezondheid van een organisme op de lange termijn - relatief onaangetast lijkt te zijn door de ruimtevluchtomgeving.

Karouia, die de afgelopen drie jaar deel heeft uitgemaakt van vele experimenten naar celfunctie in ruimtevluchten, werkte samen met Honglu Wu, doctoraat, van het NASA Johnson Space Center, om fibroblastcellen te bestuderen die aan boord van het ISS zijn gekweekt. Hun onderzoek keek naar hoe ruimtevluchten, en microzwaartekracht in het bijzonder, beïnvloedt de reactie van de cellen op DNA-schade.

De fibroblastcellen beoordelen toen ze terugkeerden, Karouia en zijn collega's zagen dat de aan de ruimte blootgestelde cellen hun DNA net zo effectief herstelden als vergelijkbare cellen die op aarde achterbleven.

"Het verhaal is niet duidelijk, Hoewel, " zei Karouia. "DNA-reparatie hangt ook af van het celtype en de groeiomstandigheden. Dit soort werk kan ons helpen DNA-herstelprocessen in alle cellen te begrijpen, hoe sommige kankercellen zichzelf kunnen herstellen ondanks schadelijke bestraling." Karouia zei, studies zoals deze zullen helpen om de risico's van straling tijdens lange ruimtevluchten aan te pakken, inclusief de missie naar Mars.

Terwijl het onderzoek naar het effect van ruimtevaart op het menselijk lichaam doorgaat, de onderzoekers zijn het erover eens dat voordat we mensen naar Mars kunnen sturen, we moeten meer weten over wat nodig is voor hun leefomgeving om ze in leven en gezond te houden.

"De beste manier om een ​​programma te doden, is door de mensen te vermoorden die erbij betrokken zijn. " zei Hughes-Fulford. "Als we ruimteschepen naar Mars gaan sturen, we moeten begrijpen hoe we de mensen die erin leven kunnen ondersteunen."