När människor förbereder sig för att ge sig djupare ut i yttre rymden, inklusive potentiella resor till Mars, forskare arbetar hårt med att försöka förstå och mildra effekterna av låg gravitation och strålning på rymdresenärers kroppar.

"Folk tänker på teknik som den begränsande faktorn i rymdfärd, men det är inte, sa Thomas Lang, PhD, professor i radiologi och biomedicinsk bildbehandling vid UC San Francisco. "Människans fysiologi är den begränsande faktorn."

Rymdfärd verkar ha en särskilt anmärkningsvärd effekt på muskuloskeletala, kardiovaskulära och immunsystem. Många av de förändringar som forskare ser som ett resultat av rymdfärder liknar dem som ses vid åldrande, även om de händer mycket snabbare i rymden.

"Vi är inställda på att leva i gravitationen, " sa Lang.

Eftersom privata flygbolag och NASA tävlar om att vara de första att landa på Mars, UCSF forskare, och många andra i hela landet, studerar effekterna av rymdresor – och försöker hitta sätt att kompensera för dessa effekter.

Benförlust, Ryggsmärta och torkade plommon

Sedan de första Apollo-rymdfärderna på 1960- och 70-talen, effekterna av utrymme på muskler och skelett har varit uppenbara. Efter bara åtta dagar i omloppsbana, Apollo-astronauterna var så svaga att de måste dras ur sina landningskapslar.

Under de följande decennierna, astronauter, som de på den internationella rymdstationen (ISS), började träna för att hålla sina ben och muskler konditionerade under sina sex månader långa vistelser. Fortfarande, många astronauter lider av ryggsmärtor i flera år efter att de återvänt till jorden.

För att ta reda på varför ryggsmärtan uppstår efter exponering för låg gravitation, Jeffrey Lotz, PhD, David Bradford begåvad ordförande för ortopedisk kirurgi vid UCSF, nyligen studerade astronauters ryggrad efter deras tid i rymden.

Det han hittade förvånade honom.

Han hade föreställt sig att ryggsmärtan uppstod från diskar svullna av vatten som vanligtvis skulle pressas ut genom att hålla en upprätt hållning i gravitationen. Istället, han upptäckte att källan till ryggsmärtan var dekonditionering av multifidusmusklerna, små muskler som förbinder och stödjer kotorna.

Lotz samarbetar med NASA för att ta fram ett program med multifidusövningar som astronauter kan göra inom begränsningarna för ett rymdskepp i noll gravitation.

Träning är nyckeln inte bara för muskelstyrka, men också för benhälsan, och Lang har studerat effekten av rymdresor på ben i decennier. "Ben är inte bara en hård ram, " sa han. "De växer och reparerar sig själva som svar på att stödja laster mot gravitationen."

Brist på gravitation avbryter benfunktionens naturliga cykel, som är ungefär så här:Benceller som kallas osteocyter upptäcker områden med minskad belastning eller skada på benvävnad, triggar andra celler, kallas osteoklaster, att resorbera ben som inte längre behövs för att möta belastningen eller som har skadats av upprepad belastning. Osteoklasternas arbete utlöser ännu en cell, osteoblasten, att flytta in och bygga om benet där det behövs.

I frånvaro av gravitation tycks återuppbyggnaden inte ske som ett resultat av den minskade belastningen på benet. Detta kan sätta astronauter i fara för benförlust och frakturer under sina uppdrag. Daniel Bikle, MD, PhD, professor i medicin och dermatologi, med hjälp av musstudier, fastställt att mikrogravitation påverkar kommunikationen mellan benceller som är nödvändiga för bentillväxt och reparationsprocessen.

"Det är en dubbelriktad signalväg, " säger Bikle. "Bencellerna reglerar varandras funktion." Brist på gravitation ger ett avbrott i den signaleringen, och osteoklasterna fortsätter att resorbera ben, men osteoblasterna fyller inte på det. Bikle tror att samma väg kan vara involverad i osteoporos. Om så är fallet, Att reda ut detaljerna borde ge insikter som gynnar en befolkning som är mycket större än rymdresenärer.

Lang bedömde bentätheten hos astronauter som återvände från ISS och fann att efter sex månader, de hade förlorat mellan 6 procent och 9 procent av den totala bentätheten från sina höfter – de förlorade ungefär lika mycket på en månad som en postmenopausal kvinna förlorar på ett år. I en studie fokuserad på benförlust i höften, Lang och kollegor fann att ett år efter flygningen, den totala benmassan var nästan helt återställd men återvunnet ben omfördelades, vilket resulterar i en benarkitektur som liknar en äldre persons.

Strålningsexponering, förutom mikrogravitation, under rymdfärd orsakar benförlust för astronauter, även om en studie pekar på ett överraskande recept för detta.

Bernard Halloran, PhD, professor vid institutionen för medicin, fann att möss som utsatts för strålning och matades med en diet som innehöll plommonpulver förlorade betydligt mindre ben.

Hans nästa steg är att urskilja vilka föreningar i katrinplommonen som är ansvariga för effekten. "Det här tillvägagångssättet visar mycket lovande, men det är inte så enkelt som att skicka folk ut i rymden med en lastbil med katrinplommon, " sa han. "Vi måste isolera föreningen och lägga den i ett piller."

Sakens hjärta:det kardiovaskulära systemet

Strålningen och rymdens låga gravitation har också en inverkan på kroppens kärlsystem, orsakar cirkulationsproblem för astronauter när de återvänder till jorden och en ökad risk för hjärtinfarkt senare i livet.

Marlene Grenon, MD, docent i kärlkirurgi, har haft ett långvarigt intresse för rymdflygningens effekter på kärlsystemet. "Astronauter är i bra form, och träningsprotokoll är en del av deras liv, sa Grenon. Så vi vill veta vad som händer här. Är det strålning? Allvar? Andra fysiologiska faktorer?"

Grenon, som har diplom i rymdvetenskap från International Space University och har utvecklat UCSF:s första kurs om rymdfärdens effekt på kroppen, har studerat effekterna av simulerad mikrogravitation på funktionen hos vaskulära endotelceller som kantar insidan av blodkärlen.

Grenon odlade dessa celler och placerade dem i en miljö som simulerade mycket låg gravitation. Hon fann att bristen på gravitation orsakar en minskning av uttrycket av vissa gener i cellerna som påverkar vidhäftningen av plack till kärlväggen. Även om konsekvenserna av dessa förändringar inte är klara ännu, det är uppenbart att brist på gravitation påverkar cellfunktionen.

Dessutom, tidigare arbete av Grenon visade att mikrogravitation skapar förändringar i cellerna som leder elektricitet i hjärtat, vilket kan utsätta astronauter för risk för hjärtarytmier.

Grenons kollegor Sonja Schrepfer, MD, PhD, och Tobias Deuse, MD, även professorer i kirurgi, hjälper till att lägga pusselbitar genom att avgöra vilka förändringar i kärlcellers funktion som är uppenbara efter rymdfärd.

Schrepfer studerade 2016 kärlsystemen hos möss som hade tillbringat tid på ISS, såväl som kärlceller odlade i en mikrogravitationsmiljö på jorden. Hennes team analyserar fortfarande deras data, men än så länge verkar det som om halspulsådrornas väggar blev tunnare hos möss i rymden, möjligen för att den lägre gravitationen krävde mindre blodtryck för cirkulationen.

Teamet fann också att de odlade cellerna visade förändringar i genuttryck och kontroll som liknar förändringar som ses hos patienter med hjärt-kärlsjukdom på jorden.

Även om dessa förändringar kanske inte är skadliga för rymdstationens mikrogravitation, på jorden resulterar de i dålig blodcirkulation.

"När astronauter återvänder till jordens gravitation, muskelsvaghet är bara en del av anledningen till att de inte kan stå upp, " Sa Schrepfer. "De får inte heller tillräckligt med blod till hjärnan, eftersom deras kärlfunktion är nedsatt."

Det finns hopp:Schrepfer och hennes team har identifierat en liten molekyl som hindrar kärlväggar från att förtunnas hos möss. Hon och hennes team planerar att göra säkerhetsförsök av den molekylen på människor inom en snar framtid.

Immunsystem och cellreparation

Schrepfer har också fått ett pris för att studera effekterna av mikrogravitation på immunsystemet som en modell för åldrande, både i rymden och efter att ha återvänt till jorden. Hon har en släkt i Millie Hughes-Fulford, PhD, adjungerad professor i medicin och den första kvinnliga vetenskapsmannen som arbetade i rymden. Hughes-Fulford försökte experimentera ombord på rymdfärjan Columbia 1991, och har undersökt förändringar i genuttryck i T-celler i rymden sedan omkring 2003.

"Över hälften av Apollo-astronauterna hade något slags immunproblem, " sa hon. "Så, vi visste då att immunförsvaret inte fungerade bra i rymden."

Hennes nuvarande arbete innebär inte bara att titta på genuttryck utan också på rollen av mikroRNA (miRNA) – små molekyler som kan slå på eller stänga av gener. Hennes forskning avslöjade fem av dessa miRNA, var och en kontrollerade gener som aktiverar T-celler, fungerade inte ordentligt.

"Före detta, vi kan säga att generna inte slogs på, men vi visste inte varför, ", sa Hughes-Fulford. "Nu känner vi till regulatorerna av generna."

Dessa förändringar är desamma som ses vid åldrande, lämnar äldre med ett mindre robust immunförsvar. I rymden, fastän, förändringarna börjar inträffa efter 30 minuter, medan de hos en människa kan ta 30 år. Forskningen av Schrepfer och Hughes-Fulford kan hjälpa människor som reser i rymden, men är också en möjlighet att studera förändringar som kan vara utmanande att följa under årtionden på jorden.

På baksidan, viss forskning bekräftar att andra fysiologiska funktioner kan uthärda rymdfärd.

Fathi Karouia, PhD, en professionell forskare vid UCSF School of Pharmacy och forskare vid NASA Ames Research Center, var involverad i en studie som visar att processen för DNA-reparation – avgörande för en organisms långsiktiga hälsa – verkar vara relativt opåverkad av rymdfärdsmiljön.

Karouia, som under de senaste tre åren har varit en del av många experiment som tittar på cellfunktion i rymdfärd, samarbetade med Honglu Wu, PhD, från NASA Johnson Space Center, att studera fibroblastceller odlade ombord på ISS. Deras undersökning tittade på hur rymdfärd, och mikrogravitation i synnerhet, påverkar cellernas svar på DNA-skador.

Att bedöma fibroblastcellerna när de kom tillbaka, Karouia och hans kollegor såg att de rymdexponerade cellerna reparerade sitt DNA lika effektivt som liknande celler som fanns kvar på jorden.

"Berättelsen är inte klar, fastän, ", sade Karouia. "DNA-reparation beror också på celltyp och tillväxtförhållanden. Den här typen av arbete kan hjälpa oss att förstå DNA-reparationsprocesser i alla celler, hur vissa cancerceller lyckas reparera sig själva trots skadlig strålbehandling." Karouia sa, studier som dessa kommer att hjälpa till att ta itu med riskerna för strålning under långvarig rymdfärd, inklusive uppdraget till Mars.

Medan forskningen om rymdresors effekt på människokroppen fortsätter, forskarna är överens om att innan vi kan skicka människor till Mars, vi behöver veta mer om vad som krävs för att deras livsmiljö ska hålla dem vid liv och friska.

"Det bästa sättet att döda ett program är att döda människorna som är involverade i det, " sa Hughes-Fulford. "Om vi ​​ska skicka rymdskepp till Mars, vi måste förstå hur vi kan upprätthålla människorna som bor i dem."