Forskere studerer, hvordan man opretholder trivsel under langvarige rumflyvninger

Mens mennesker forbereder sig på at vove dybere ud i det ydre rum, herunder potentielle ture til Mars, forskere arbejder hårdt på at forsøge at forstå og afbøde virkningerne af lav tyngdekraft og stråling på rumrejsendes kroppe.

"Folk tænker på teknologi som den begrænsende faktor i rumfart, men det er ikke, sagde Thomas Lang, Ph.d., professor i radiologi og biomedicinsk billeddannelse ved UC San Francisco. "Menneskets fysiologi er den begrænsende faktor."

Rumfart synes at have en særlig bemærkelsesværdig effekt på bevægeapparatet, kardiovaskulære og immunsystemer. Mange af de ændringer, forskerne ser som følge af rumflyvning, ligner dem, der ses ved aldring, selvom de sker meget hurtigere i rummet.

"Vi er indstillet på at leve i tyngdekraften, "Sagde Lang.

Da private luftfartsvirksomheder og NASA konkurrerer om at være de første til at lande på Mars, UCSF -forskere, og mange andre landsdækkende, studerer virkningerne af rumrejser - og forsøger at finde måder at opveje disse påvirkninger på.

Knogletab, Rygsmerter og tørrede blommer

Siden de første Apollo -rumflyvninger i 1960'erne og 70'erne, virkningerne af rummet på muskler og knogler har været tydelige. Efter bare otte dage i kredsløb, Apollo -astronauterne var så svage, at de måtte trækkes fra deres landingskapsler.

I de følgende årtier, astronauter, som dem på den internationale rumstation (ISS), begyndte at træne for at holde deres knogler og muskler konditioneret under deres seks måneders ophold. Stadig, mange astronauter lider rygsmerter i årevis efter at have vendt tilbage til Jorden.

For at finde ud af, hvorfor rygsmerter opstår efter udsættelse for lav tyngdekraft, Jeffrey Lotz, Ph.d., David Bradford udstyret formand for ortopædkirurgi ved UCSF, studerede for nylig astronauternes rygsøjler efter deres tid i rummet.

Det, han fandt, overraskede ham.

Han havde forestillet sig, at rygsmerterne opstod fra diske, der var hævede af vand, som normalt ville blive presset ud ved at holde en opretstående kropsholdning i tyngdekraften. I stedet, han opdagede, at kilden til rygsmerterne var dekonditionering af multifidus -musklerne, små muskler, der forbinder og understøtter hvirvlerne.

Lotz arbejder sammen med NASA for at udarbejde et program med multifidus -øvelser, som astronauter kan udføre inden for et rumskibs begrænsninger i nul tyngdekraft.

Motion er ikke kun nøglen til muskelstyrke, men også for knoglesundhed, og Lang har studeret virkningen af ​​rumrejser på knogler i årtier. "Knogler er ikke bare en hård ramme, "sagde han." De vokser og reparerer sig selv som reaktion på at understøtte belastninger mod tyngdekraften. "

Manglende tyngdekraft afbryder den naturlige cyklus af knoglefunktion, der går sådan her:Knogleceller kaldet osteocytter registrerer områder med nedsat belastning eller beskadigelse af knoglevæv, udløser andre celler, kaldet osteoklaster, at resorbere knogle, der ikke længere er nødvendig for at imødekomme stammen eller er blevet beskadiget af gentagen belastning. Osteoklasters arbejde udløser endnu en celle, osteoblasten, at flytte ind og genopbygge knoglen, hvor det er nødvendigt.

I mangel af tyngdekraft synes genopbygningen ikke at ske som følge af den reducerede belastning af knogler. Dette kan sætte astronauter i fare for knogletab og brud under deres missioner. Daniel Bikle, MD, Ph.d., professor i medicin og dermatologi, ved hjælp af musestudier, fastslået, at mikrogravitation påvirker kommunikationen mellem knogleceller, der er nødvendige for knoglevækst og reparationsproces.

"Det er en tovejs signalvej, "siger Bikle." Knoglecellerne regulerer hinandens funktion. "Manglende tyngdekraft giver en afbrydelse i den signalering, og osteoklasterne fortsætter med at resorbere knogler, men osteoblasterne fylder det ikke op. Bikle mener, at den samme vej kan være involveret i osteoporose. Hvis så, opklaring af detaljerne bør give indsigt, der gavner en befolkning, der er langt større end rumrejsende.

Lang vurderede knogletætheden af ​​astronauter, der vendte tilbage fra ISS, og fandt ud af, at efter seks måneder de havde mistet mellem 6 procent og 9 procent af den samlede knogletæthed fra deres hofter - tabte omtrent lige så meget på en måned, som en postmenopausal kvinde taber på et år. I en undersøgelse fokuseret på knogletab i hoften, Lang og kolleger fandt ud af, at et år efter flyvningen, den samlede knoglemasse blev næsten fuldstændigt genvundet, men genvundet knogle blev omfordelt, hvilket resulterer i en knoglearkitektur, der ligner en ældre persons.

Strålingseksponering, ud over mikrogravitation, under rumfart forårsager knogletab for astronauter, selvom en undersøgelse peger på en overraskende recept på dette.

Bernard Halloran, Ph.d., professor i medicinsk afdeling, fandt ud af, at mus udsat for stråling og fodret med en diæt indeholdende blommepulver mistede betydeligt mindre knogle.

Hans næste trin er at skelne mellem, hvilke forbindelser i sveskerne er ansvarlige for effekten. "Denne tilgang viser meget løfte, men det er ikke så enkelt som at sende folk ud i rummet med en lastbil med svesker, "sagde han." Vi skal isolere forbindelsen og putte den i en pille. "

Materiens hjerte:Det kardiovaskulære system

Stråling og lav tyngdekraft i rummet har også indflydelse på kroppens vaskulære system, forårsager kredsløbsproblemer for astronauter, når de vender tilbage til Jorden og en øget risiko for hjerteanfald senere i livet.

Marlene Grenon, MD, lektor i vaskulær kirurgi, har længe haft interesse for rumfluks virkninger på det vaskulære system. "Astronauter er i god form, og motionsprotokoller er en del af deres liv, "sagde Grenon." Så vi vil gerne vide, hvad der foregår her. Er det stråling? Tyngdekraft? Andre fysiologiske faktorer? "

Grenon, som har et diplom i rumvidenskab fra International Space University og har udviklet UCSF's første kursus om rumflyvningens effekt på kroppen, har undersøgt virkningerne af simuleret mikrogravitation på funktionen af ​​vaskulære endotelceller, der foretager indersiden af ​​blodkar.

Grenon dyrkede disse celler og placerede dem i et miljø, der simulerede meget lav tyngdekraft. Hun fandt ud af, at manglen på tyngdekraft forårsager et fald i ekspressionen af ​​visse gener i cellerne, der påvirker vedhæftning af plak til karvæggen. Selv om konsekvenserne af disse ændringer endnu ikke er klare, det er tydeligt, at mangel på tyngdekraft påvirker cellens funktion.

Ud over, tidligere arbejde af Grenon viste, at mikrogravitation skaber ændringer i cellerne, der leder elektricitet i hjertet, hvilket kan sætte astronauter i fare for hjertearytmier.

Grenons kolleger Sonja Schrepfer, MD, Ph.d., og Tobias Deuse, MD, også professorer i kirurgi, hjælper med at sammensætte stykker af dette puslespil ved at bestemme, hvilke ændringer i vaskulære cellers funktion er tydelige efter rumfart.

Schrepfer i 2016 undersøgte de vaskulære systemer hos mus, der havde brugt tid på ISS, samt vaskulære celler dyrket i et mikrogravitationsmiljø på Jorden. Hendes team analyserer stadig deres data, men indtil videre ser det ud til, at halspulsårernes vægge blev tyndere hos mus i rummet, muligvis fordi den lavere tyngdekraft krævede mindre blodtryk til cirkulation.

Teamet fandt også ud af, at de dyrkede celler viste ændringer i genekspression og kontrol, der ligner ændringer set hos patienter med hjerte -kar -sygdomme på Jorden.

Selvom disse ændringer muligvis ikke er skadelige for rumstationens mikrogravitet, på Jorden resulterer de i dårlig blodcirkulation.

"Når astronauter vender tilbage til Jordens tyngdekraft, muskelsvaghed er kun en del af grunden til, at de ikke kan stå op, "Sagde Schrepfer." De får heller ikke nok blod til deres hjerne, fordi deres fartøjsfunktion er nedsat. "

Der er håb:Schrepfer og hendes team har identificeret et lille molekyle, der forhindrer vaskulære vægge i at tynde ud i mus. Hun og hendes team planlægger at lave sikkerhedstest af det molekyle på mennesker i den nærmeste fremtid.

Immunsystem og celle reparation

Schrepfer har også modtaget en pris for at undersøge effekter af mikrogravitation på immunsystemet som en model for aldring, både i rummet og efter hjemkomsten til Jorden. Hun har en ånd i Millie Hughes-Fulford, Ph.d., adjungeret professor i medicin og den første kvindelige videnskabsmand, der arbejdede i rummet. Hughes-Fulford havde eksperimenter ombord på rumfærgen i Columbia i 1991, og har undersøgt ændringer i genekspression i T-celler i rummet siden omkring 2003.

"Over halvdelen af ​​Apollo -astronauterne havde en slags immunproblem, "sagde hun." Så, vi vidste dengang, at immunsystemet ikke fungerede godt i rummet. "

Hendes nuværende arbejde indebærer ikke kun at se på genekspression, men også på rollen som microRNA (miRNA) - små molekyler, der kan tænde eller slukke gener. Hendes forskning afslørede fem af disse miRNA'er, hver af dem kontrollerede gener, der aktiverer T-celler, fungerede ikke korrekt.

"Før dette, vi kunne sige, at generne ikke blev tændt, men vi vidste ikke hvorfor, "sagde Hughes-Fulford." Nu kender vi tilsynsmyndighederne for generne. "

Disse ændringer er de samme, der ses ved aldring, efterlader ældre med et mindre robust immunsystem. I rummet, selvom, ændringerne begynder at forekomme efter 30 minutter, mens det hos et menneske kan tage 30 år. Undersøgelsen fra Schrepfer og Hughes-Fulford kan hjælpe mennesker, der rejser i rummet, men også en mulighed for at studere ændringer, der kan være udfordrende at følge gennem årtier på Jorden.

På bagsiden, nogle undersøgelser bekræfter, at andre fysiologiske funktioner kan udholde rumfart.

Fathi Karouia, Ph.d., en professionel forsker ved UCSF School of Pharmacy og videnskabsmand ved NASA Ames Research Center, var involveret i en undersøgelse, der viste, at processen med DNA-reparation-afgørende for en organismes langsigtede sundhed-synes at være relativt upåvirket af rumfartsmiljøet.

Karouia, som i løbet af de sidste tre år har været en del af mange forsøg med at se på cellefunktion i rumfart, samarbejdede med Honglu Wu, Ph.d., fra NASA Johnson Space Center, at studere fibroblastceller dyrket ombord på ISS. Deres undersøgelse så på, hvordan rumfart, og især tyngdekraften påvirker cellernes reaktion på DNA -skader.

Vurdering af fibroblastcellerne, da de vendte tilbage, Karouia og hans kolleger så, at de rumeksponerede celler reparerede deres DNA lige så effektivt som lignende celler, der blev tilbage på Jorden.

"Historien er ikke klar, selvom, "Sagde Karouia." DNA -reparation afhænger også af celletype og vækstbetingelser. Denne form for arbejde kan hjælpe os med at forstå DNA -reparationsprocesser i alle celler, hvordan nogle kræftceller formår at reparere sig selv på trods af skadelig strålebehandling. "I sidste ende, Karouia sagde, undersøgelser som disse vil hjælpe med at afhjælpe risici for stråling under forlænget rumfart, herunder missionen til Mars.

Mens forskningen i rumfartens virkning på menneskekroppen fortsætter, forskerne er enige om, at før vi kan sende mennesker til Mars, vi har brug for at vide mere om, hvad der kræves for deres livsmiljø for at holde dem i live og sunde.

"Den bedste måde at dræbe et program på er at dræbe de mennesker, der er involveret i det, "sagde Hughes-Fulford." Hvis vi skal sende rumskibe til Mars, vi er nødt til at forstå, hvordan vi opretholder de mennesker, der bor i dem. "