Mientras los humanos se preparan para aventurarse más profundamente en el espacio exterior, incluyendo posibles viajes a Marte, los investigadores están trabajando arduamente para comprender y mitigar los efectos de la baja gravedad y la radiación en los cuerpos de los viajeros espaciales.

"La gente piensa en la tecnología como el factor limitante de los vuelos espaciales, pero no lo es, "dijo Thomas Lang, Doctor, profesor de radiología e imágenes biomédicas en UC San Francisco. "La fisiología humana es el factor limitante".

El vuelo espacial parece tener un efecto particularmente notable en el sistema musculoesquelético, sistemas cardiovascular e inmunológico. Muchos de los cambios que los investigadores están viendo como resultado de los vuelos espaciales son similares a los observados en el envejecimiento, aunque suceden mucho más rápido en el espacio.

"Estamos en sintonía con vivir en gravedad, "Dijo Lang.

Mientras las empresas aeroespaciales privadas y la NASA compiten por ser las primeras en aterrizar en Marte, Investigadores de UCSF, y muchos otros a nivel nacional, están estudiando los efectos de los viajes espaciales y tratando de encontrar formas de compensar esos impactos.

Pérdida de hueso, Dolor de espalda y ciruelas secas

Desde los primeros vuelos espaciales de Apolo en las décadas de 1960 y 1970, los efectos del espacio en músculos y huesos han sido evidentes. Después de solo ocho días en órbita, los astronautas del Apolo estaban tan débiles que tuvieron que sacarlos de sus cápsulas de aterrizaje.

En las siguientes décadas, astronautas como los de la Estación Espacial Internacional (ISS), comenzó a hacer ejercicio para mantener sus huesos y músculos acondicionados durante sus estadías de seis meses. Todavía, muchos astronautas sufren dolores de espalda durante años después de regresar a la Tierra.

Para averiguar por qué se produce el dolor de espalda después de la exposición a baja gravedad, Jeffrey Lotz, Doctor, la Cátedra de Cirugía Ortopédica Dotada por David Bradford en UCSF, Recientemente estudió la columna vertebral de los astronautas después de su tiempo en el espacio.

Lo que encontró lo sorprendió.

Había imaginado que el dolor de espalda se debía a unos discos hinchados con agua que normalmente se escurrían al mantener una postura erguida en gravedad. En lugar de, descubrió que la fuente del dolor de espalda era el desacondicionamiento de los músculos multífidos, pequeños músculos que conectan y sostienen las vértebras.

Lotz está trabajando con la NASA para diseñar un programa de ejercicios multifidus que los astronautas puedan hacer dentro de las limitaciones de una nave espacial en gravedad cero.

El ejercicio es clave no solo para la fuerza muscular, pero también para la salud ósea, y Lang ha estado estudiando el efecto de los viajes espaciales en los huesos durante décadas. "Los huesos no son solo un armazón duro, "Crecen y se reparan a sí mismos en respuesta a soportar cargas contra la gravedad".

La falta de gravedad interrumpe el ciclo natural de la función ósea, que es algo como esto:las células óseas llamadas osteocitos detectan regiones de tensión disminuida o daño al tejido óseo, desencadenando otras células, llamados osteoclastos, para reabsorber el hueso que ya no es necesario para soportar la tensión o que ha sido dañado por una tensión repetitiva. El trabajo de los osteoclastos desencadena otra célula, el osteoblasto, para moverse y reconstruir el hueso donde sea necesario.

En ausencia de gravedad, la reconstrucción no parece ocurrir como resultado de la reducción de la tensión en el hueso. Esto puede poner a los astronautas en peligro de pérdida ósea y fracturas durante sus misiones. Daniel Bikle, MARYLAND, Doctor, profesor de medicina y dermatología, utilizando estudios con ratones, determinó que la microgravedad afecta la comunicación entre las células óseas necesarias para el crecimiento óseo y el proceso de reparación.

"Es una vía de señalización bidireccional, "dice Bikle." Las células óseas regulan la función de las demás ". La falta de gravedad produce una interrupción en esa señalización, y los osteoclastos continúan reabsorbiendo hueso, pero los osteoblastos no lo reponen. Bikle cree que esta misma vía podría estar involucrada en la osteoporosis. Si es así, Desentrañar los detalles debería proporcionar información que beneficie a una población mucho mayor que los viajeros espaciales.

Lang evaluó la densidad ósea de los astronautas que regresaban de la EEI y descubrió que después de seis meses, habían perdido entre el 6 y el 9 por ciento de la densidad ósea total de sus caderas, perdiendo aproximadamente tanto en un mes como una mujer posmenopáusica pierde en un año. En un estudio centrado en la pérdida ósea en la cadera, Lang y sus colegas descubrieron que un año después del vuelo, la masa ósea total se recuperó casi por completo, pero el hueso recuperado se redistribuyó, resultando en una arquitectura ósea que se asemeja a la de una persona mayor.

Exposicion a la radiación, además de la microgravedad, durante los vuelos espaciales provoca la pérdida de masa ósea para los astronautas, aunque un estudio apunta a una receta sorprendente para esto.

Bernard Halloran, Doctor, profesor del Departamento de Medicina, encontró que los ratones sometidos a radiación y alimentados con una dieta que contenía ciruela en polvo perdieron significativamente menos hueso.

Sus próximos pasos son discernir qué compuestos en las ciruelas pasas son responsables del efecto. "Este enfoque es muy prometedor, pero no es tan simple como enviar personas al espacio con un camión lleno de ciruelas pasas, ", dijo." Necesitamos aislar el compuesto y ponerlo en una pastilla ".

El corazón de la materia:el sistema cardiovascular

La radiación y la baja gravedad del espacio también tienen un impacto en el sistema vascular del cuerpo, causando problemas circulatorios para los astronautas cuando regresan a la Tierra y un mayor riesgo de ataque cardíaco más adelante en la vida.

Marlene Grenon, MARYLAND, profesor asociado de cirugía vascular, ha tenido un interés desde hace mucho tiempo en los efectos de los vuelos espaciales en el sistema vascular. "Los astronautas están en buena forma, y los protocolos de ejercicio son parte de sus vidas, "dijo Grenon." Así que queremos saber qué está pasando aquí. ¿Es radiación? ¿Gravedad? ¿Otros factores fisiológicos? "

Grenon, que tiene un diploma en Ciencias Espaciales de la Universidad Espacial Internacional y ha desarrollado el primer curso de UCSF sobre el efecto de los vuelos espaciales en el cuerpo, ha estudiado los efectos de la microgravedad simulada sobre la función de las células endoteliales vasculares que recubren el interior de los vasos sanguíneos.

Grenon cultivó estas células y las colocó en un entorno que simulaba una gravedad muy baja. Descubrió que la falta de gravedad provoca una disminución en la expresión de ciertos genes en las células que afectan la adhesión de la placa a la pared del vaso. Si bien las implicaciones de estos cambios aún no están claras, es evidente que la falta de gravedad afecta la función celular.

Además, El trabajo anterior de Grenon mostró que la microgravedad crea cambios en las células que conducen la electricidad en el corazón, lo que puede poner a los astronautas en riesgo de arritmias cardíacas.

Sonja Schrepfer, colegas de Grenon, MARYLAND, Doctor, y Tobias Deuse, MARYLAND, también profesores de cirugía, están ayudando a juntar las piezas de ese rompecabezas al determinar qué cambios en la función de las células vasculares son evidentes después de los vuelos espaciales.

Schrepfer en 2016 estudió los sistemas vasculares de ratones que habían pasado tiempo en la ISS, así como células vasculares cultivadas en un entorno de microgravedad en la Tierra. Su equipo todavía está analizando sus datos, pero hasta ahora parece que las paredes de las arterias carótidas se volvieron más delgadas en ratones en el espacio, posiblemente porque la gravedad más baja exigía menos presión sanguínea para la circulación.

El equipo también encontró que las células cultivadas mostraban cambios en la expresión y el control de genes que se asemejan a los cambios observados en pacientes con enfermedades cardiovasculares en la Tierra.

Si bien estos cambios pueden no ser perjudiciales para la microgravedad de la Estación Espacial, en la Tierra dan como resultado una mala circulación sanguínea.

"Cuando los astronautas regresen a la gravedad de la Tierra, la debilidad muscular es solo una parte de la razón por la que no pueden ponerse de pie, ", Dijo Schrepfer." Tampoco reciben suficiente sangre en el cerebro, porque la función de sus vasos se ve afectada ".

Hay esperanza:Schrepfer y su equipo han identificado una pequeña molécula que evita que las paredes vasculares se adelgacen en ratones. Ella y su equipo planean realizar pruebas de seguridad de esa molécula en humanos en un futuro próximo.

Reparación celular y del sistema inmunológico

Schrepfer también ha recibido un premio por estudiar los efectos de la microgravedad en el sistema inmunológico como modelo de envejecimiento. tanto en el espacio como después de regresar a la Tierra. Ella tiene un alma gemela en Millie Hughes-Fulford, Doctor, profesora adjunta de medicina y la primera científica en trabajar en el espacio. Hughes-Fulford realizó experimentos a bordo del transbordador espacial Columbia en 1991, y ha estado investigando los cambios en la expresión génica en las células T en el espacio desde aproximadamente 2003.

"Más de la mitad de los astronautas del Apolo tenían algún tipo de problema inmunológico, "ella dijo." Entonces, en ese entonces sabíamos que el sistema inmunológico no funcionaba bien en el espacio ".

Su trabajo actual implica no solo observar la expresión génica, sino también el papel del microARN (miARN), pequeñas moléculas que pueden activar o desactivar genes. Su investigación reveló cinco de estos miARN, cada uno de los cuales controlaba genes que activan las células T, no estaban funcionando correctamente.

"Antes de esto, podríamos decir que los genes no estaban activados, pero no sabíamos por qué ", dijo Hughes-Fulford." Ahora conocemos los reguladores de los genes ".

Estos cambios son los mismos que se ven en el envejecimiento, dejando a los ancianos con un sistema inmunológico menos robusto. En el espacio, aunque, los cambios comienzan a ocurrir después de 30 minutos, mientras que en un humano pueden tardar 30 años. La investigación de Schrepfer y Hughes-Fulford podría ayudar a las personas que viajan por el espacio, pero también es una oportunidad para estudiar cambios que pueden ser difíciles de seguir a lo largo de décadas en la Tierra.

Por otro lado, Algunas investigaciones confirman que otras funciones fisiológicas pueden soportar los vuelos espaciales.

Fathi Karouia, Doctor, investigador profesional de la Facultad de Farmacia de la UCSF y científico del Centro de Investigación Ames de la NASA, participó en un estudio que muestra que el proceso de reparación del ADN, vital para la salud a largo plazo de un organismo, parece no verse relativamente afectado por el entorno de los vuelos espaciales.

Karouia, quien durante los últimos tres años ha sido parte de muchos experimentos que analizan la función celular en vuelos espaciales, colaboró ​​con Honglu Wu, Doctor, del Centro Espacial Johnson de la NASA, para estudiar las células de fibroblastos cultivadas a bordo de la ISS. Su investigación analizó cómo los vuelos espaciales, y microgravedad en particular, afecta la respuesta de las células al daño del ADN.

Evaluar las células de fibroblastos cuando regresaron, Karouia y sus colegas vieron que las células expuestas al espacio reparaban su ADN con la misma eficacia que las células similares que permanecían en la Tierra.

"La historia no está clara, aunque, "Dijo Karouia." La reparación del ADN también depende del tipo de célula y las condiciones de crecimiento. Este tipo de trabajo podría ayudarnos a comprender los procesos de reparación del ADN en todas las células, cómo algunas células cancerosas logran repararse a sí mismas a pesar del tratamiento de radiación dañino ". Karouia dijo:estudios como estos ayudarán a abordar los riesgos de radiación durante los vuelos espaciales prolongados, incluida la misión a Marte.

Mientras continúa la investigación sobre el efecto de los viajes espaciales en el cuerpo humano, los investigadores están de acuerdo en que antes de que podamos enviar humanos a Marte, necesitamos saber más sobre lo que se requiere para que su entorno de vida los mantenga vivos y saludables.

"La mejor manera de eliminar un programa es matar a las personas involucradas en él, "dijo Hughes-Fulford." Si vamos a enviar naves espaciales a Marte, necesitamos entender cómo sostener a las personas que viven dentro de ellos ".