Mentre gli umani si preparano ad avventurarsi più in profondità nello spazio esterno, inclusi potenziali viaggi su Marte, i ricercatori sono al lavoro per cercare di comprendere e mitigare gli effetti della bassa gravità e delle radiazioni sui corpi dei viaggiatori spaziali.

"La gente pensa alla tecnologia come al fattore limitante del volo spaziale, ma non lo è, " ha detto Thomas Lang, dottorato di ricerca, un professore di radiologia e imaging biomedico alla UC San Francisco. "La fisiologia umana è il fattore limitante".

Il volo spaziale sembra avere un effetto particolarmente notevole sull'apparato muscolo-scheletrico, cardiovascolare e immunitario. Molti dei cambiamenti che i ricercatori stanno vedendo come risultato del volo spaziale sono simili a quelli osservati nell'invecchiamento, sebbene accadano molto più velocemente nello spazio.

"Siamo sintonizzati per vivere nella gravità, " ha detto Lang.

Mentre le compagnie aerospaziali private e la NASA competono per essere le prime ad atterrare su Marte, ricercatori dell'UCSF, e molti altri a livello nazionale, stanno studiando gli effetti dei viaggi nello spazio e stanno cercando di trovare modi per compensare tali impatti.

Perdita di massa ossea, Mal di schiena e prugne secche

Fin dai primi voli spaziali Apollo negli anni '60 e '70, gli effetti dello spazio su muscoli e ossa sono stati evidenti. Dopo appena otto giorni in orbita, gli astronauti dell'Apollo erano così deboli che dovettero essere estratti dalle loro capsule di atterraggio.

Nei decenni successivi, astronauti, come quelli della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), hanno iniziato a fare esercizio per mantenere le ossa e i muscoli condizionati durante i loro soggiorni di sei mesi. Ancora, molti astronauti soffrono di mal di schiena per anni dopo essere tornati sulla Terra.

Per capire perché il mal di schiena si verifica dopo l'esposizione alla bassa gravità, Jeffrey Lotz, dottorato di ricerca, la cattedra di chirurgia ortopedica David Bradford alla UCSF, ha recentemente studiato le spine degli astronauti dopo il loro tempo nello spazio.

Quello che trovò lo sorprese.

Aveva immaginato che il mal di schiena derivasse da dischi gonfi d'acqua che normalmente verrebbero spremuti mantenendo una postura eretta in gravità. Anziché, scoprì che la fonte del mal di schiena era il decondizionamento dei muscoli multifidi, piccoli muscoli che collegano e sostengono le vertebre.

Lotz sta lavorando con la NASA per ideare un programma di esercizi multifidus che gli astronauti possono fare entro i limiti di un'astronave a gravità zero.

L'esercizio è fondamentale non solo per la forza muscolare, ma anche per la salute delle ossa, e Lang studia da decenni l'effetto dei viaggi spaziali sulle ossa. "Le ossa non sono solo una struttura rigida, " ha detto. "Crescono e si riparano in risposta ai carichi di sostegno contro la gravità."

Una mancanza di gravità interrompe il ciclo naturale della funzione ossea, che va più o meno così:le cellule ossee chiamate osteociti rilevano le regioni di tensione ridotta o danni al tessuto osseo, innescando altre cellule, chiamati osteoclasti, per riassorbire l'osso che non è più necessario per far fronte allo sforzo o che è stato danneggiato da sforzi ripetuti. Il lavoro degli osteoclasti innesca un'altra cellula, l'osteoblasto, per entrare e ricostruire l'osso dove è necessario.

In assenza di gravità la ricostruzione non sembra avvenire per effetto della ridotta sollecitazione sull'osso. Ciò può mettere gli astronauti in pericolo di perdita ossea e fratture durante le loro missioni. Daniel Bikle, dottore, dottorato di ricerca, professore di medicina e dermatologia, utilizzando studi sui topi, hanno determinato che la microgravità influisce sulla comunicazione tra le cellule ossee necessarie per la crescita ossea e il processo di riparazione.

"È un percorso di segnalazione bidirezionale, " dice Bikle. "Le cellule ossee regolano la funzione reciproca." La mancanza di gravità produce un'interruzione in quella segnalazione, e gli osteoclasti continuano a riassorbire l'osso, ma gli osteoblasti non lo riempiono. Bikle ritiene che questo stesso percorso potrebbe essere coinvolto nell'osteoporosi. Se è così, svelare i dettagli dovrebbe fornire informazioni che avvantaggiano una popolazione molto più grande dei viaggiatori spaziali.

Lang ha valutato la densità ossea degli astronauti di ritorno dalla ISS e ha scoperto che dopo sei mesi, avevano perso tra il 6% e il 9% della densità ossea totale dai fianchi, perdendo in un mese circa quanto una donna in postmenopausa perde in un anno. In uno studio incentrato sulla perdita ossea nell'anca, Lang e colleghi hanno scoperto che un anno dopo il volo, la massa ossea totale è stata quasi completamente recuperata ma l'osso recuperato è stato ridistribuito, risultando in un'architettura ossea simile a quella di una persona anziana.

Esposizione alle radiazioni, oltre alla microgravità, durante il volo spaziale provoca la perdita ossea per gli astronauti, sebbene uno studio indichi una prescrizione sorprendente per questo.

Bernard Halloran, dottorato di ricerca, un professore del Dipartimento di Medicina, hanno scoperto che i topi sottoposti a radiazioni e nutriti con una dieta contenente polvere di prugne hanno perso significativamente meno ossa.

I suoi prossimi passi sono discernere quali composti nelle prugne sono responsabili dell'effetto. "Questo approccio mostra molte promesse, ma non è così semplice come mandare le persone nello spazio con un carico di prugne, " ha detto. "Dobbiamo isolare il composto e metterlo in una pillola".

Cuore della materia:il sistema cardiovascolare

Le radiazioni e la bassa gravità dello spazio hanno anche un impatto sul sistema vascolare del corpo, causando problemi circolatori per gli astronauti quando tornano sulla Terra e un aumento del rischio di infarto più tardi nella vita.

Marlene Grenon, dottore, professore associato di chirurgia vascolare, ha avuto un interesse di lunga data per gli effetti del volo spaziale sul sistema vascolare. "Gli astronauti sono in buona forma, e i protocolli di esercizio fanno parte della loro vita, " disse Grenon. "Quindi vogliamo sapere cosa sta succedendo qui. Sono radiazioni? Gravità? Altri fattori fisiologici?"

Grenon, che ha un diploma in Scienze Spaziali presso l'Università Spaziale Internazionale e ha sviluppato il primo corso della UCSF sugli effetti del volo spaziale sul corpo, ha studiato gli effetti della microgravità simulata sulla funzione delle cellule endoteliali vascolari che rivestono l'interno dei vasi sanguigni.

Grenon ha coltivato queste cellule e le ha collocate in un ambiente che simulava una gravità molto bassa. Ha scoperto che la mancanza di gravità provoca una diminuzione dell'espressione di alcuni geni nelle cellule che influenzano l'adesione della placca alla parete del vaso. Sebbene le implicazioni di questi cambiamenti non siano ancora chiare, è evidente che una mancanza di gravità influisce sulla funzione cellulare.

Inoltre, lavoro precedente di Grenon ha mostrato che la microgravità crea cambiamenti nelle cellule che conducono l'elettricità nel cuore, che possono mettere gli astronauti a rischio di aritmie cardiache.

Le colleghe di Grenon Sonja Schrepfer, dottore, dottorato di ricerca, e Tobias Deuse, dottore, anche professori di chirurgia, stanno aiutando a mettere insieme i pezzi di quel puzzle determinando quali cambiamenti alla funzione delle cellule vascolari sono evidenti dopo il volo spaziale.

Schrepfer nel 2016 ha studiato i sistemi vascolari dei topi che avevano trascorso del tempo sulla ISS, così come le cellule vascolari coltivate in un ambiente di microgravità sulla Terra. Il suo team sta ancora analizzando i dati, ma finora sembra che le pareti delle arterie carotidi siano diventate più sottili nei topi nello spazio, forse perché la gravità inferiore richiedeva meno pressione sanguigna per la circolazione.

Il team ha anche scoperto che le cellule coltivate hanno mostrato cambiamenti nell'espressione genica e nel controllo che assomigliano ai cambiamenti osservati nei pazienti con malattie cardiovascolari sulla Terra.

Anche se questi cambiamenti potrebbero non essere dannosi nella microgravità della Stazione Spaziale, sulla Terra provocano una cattiva circolazione sanguigna.

"Quando gli astronauti tornano alla gravità terrestre, la debolezza muscolare è solo una parte del motivo per cui non riescono a stare in piedi, " ha detto Schrepfer. "Inoltre non ottengono abbastanza sangue al cervello, perché la loro funzione vasale è compromessa."

C'è speranza:Schrepfer e il suo team hanno identificato una piccola molecola che impedisce l'assottigliamento delle pareti vascolari nei topi. Lei e il suo team stanno pianificando di eseguire prove di sicurezza di quella molecola sugli esseri umani nel prossimo futuro.

Sistema immunitario e riparazione cellulare

Schrepfer ha anche ricevuto un premio per studiare gli effetti della microgravità sul sistema immunitario come modello di invecchiamento, sia nello spazio che dopo il ritorno sulla Terra. Ha uno spirito affine in Millie Hughes-Fulford, dottorato di ricerca, professore a contratto di medicina e la prima scienziata a lavorare nello spazio. Hughes-Fulford si occupava di esperimenti a bordo della navetta spaziale Columbia nel 1991, e ha studiato i cambiamenti nell'espressione genica nelle cellule T nello spazio dal 2003 circa.

"Più della metà degli astronauti dell'Apollo aveva una sorta di problema immunitario, " ha detto. "Quindi, sapevamo allora che il sistema immunitario non funzionava bene nello spazio".

Il suo lavoro attuale non riguarda solo l'espressione genica, ma anche il ruolo dei microRNA (miRNA), minuscole molecole che possono attivare o disattivare i geni. La sua ricerca ha rivelato cinque di questi miRNA, ciascuno dei quali controlla i geni che attivano le cellule T, non funzionavano correttamente.

"Prima di questo, potremmo dire che i geni non venivano attivati, ma non sapevamo perché, " ha detto Hughes-Fulford. "Ora conosciamo i regolatori dei geni."

Questi cambiamenti sono gli stessi osservati nell'invecchiamento, lasciando gli anziani con un sistema immunitario meno robusto. Nello spazio, anche se, i cambiamenti iniziano a verificarsi dopo 30 minuti, mentre in un essere umano possono richiedere 30 anni. La ricerca di Schrepfer e Hughes-Fulford potrebbe aiutare le persone che viaggiano nello spazio, ma è anche un'opportunità per studiare i cambiamenti che possono essere difficili da seguire per decenni sulla Terra.

Il rovescio della medaglia, alcune ricerche stanno confermando che altre funzioni fisiologiche possono sopportare il volo spaziale.

Fathi Karouia, dottorato di ricerca, un ricercatore professionista presso la UCSF School of Pharmacy e scienziato presso il NASA Ames Research Center, è stato coinvolto in uno studio che mostra che il processo di riparazione del DNA - vitale per la salute a lungo termine di un organismo - sembra essere relativamente inalterato dall'ambiente del volo spaziale.

Karouia, che negli ultimi tre anni ha preso parte a molti esperimenti sulla funzione cellulare nei voli spaziali, collaborato con Honglu Wu, dottorato di ricerca, del Johnson Space Center della NASA, studiare le cellule di fibroblasti coltivate a bordo della ISS. La loro indagine ha esaminato come il volo spaziale, e microgravità in particolare, influenza la risposta delle cellule al danno al DNA.

Valutare le cellule dei fibroblasti al loro ritorno, Karouia e i suoi colleghi hanno visto che le cellule esposte nello spazio hanno riparato il loro DNA con la stessa efficacia di cellule simili rimaste sulla Terra.

"La storia non è chiara, anche se, " Karouia ha detto. "La riparazione del DNA dipende anche dal tipo di cellula e dalle condizioni di crescita. Questo tipo di lavoro potrebbe aiutarci a capire i processi di riparazione del DNA in tutte le cellule, come alcune cellule cancerose riescono a ripararsi da sole nonostante il trattamento con radiazioni dannose." In definitiva, Karouia ha detto, studi come questi aiuteranno ad affrontare i rischi di radiazioni durante il volo spaziale esteso, compresa la missione su Marte.

Mentre continua la ricerca sugli effetti dei viaggi spaziali sul corpo umano, i ricercatori concordano sul fatto che prima di poter inviare umani su Marte, abbiamo bisogno di saperne di più su ciò che è necessario per il loro ambiente di vita per mantenerli vivi e sani.

"Il modo migliore per uccidere un programma è uccidere le persone coinvolte in esso, " disse Hughes-Fulford. "Se inviamo astronavi su Marte, dobbiamo capire come sostenere le persone che vivono al loro interno".