Mikrodatortomografi av bentäthet visar markmöss (G) med starkt sammankopplade, tät svampig benstruktur, flygmöss (F) med mindre anslutningsmöjligheter och flygmöss behandlade med en myostatinhämmare (F+D) på STS-118 som verkar har benstruktur opåverkad av mikrogravitation. Kredit:Bioserve
På årets American Society for Bone and Mineral Research-konferens delade NASA-forskare vad de har lärt sig från ett halvt sekel av relaterad rymdforskning om hur mikrogravitation negativt påverkar bentätheten.
När du når femtioårsåldern kan du förutse vissa hälsoförändringar, till exempel början av benförlust. Du kanske inte förväntar dig sådana utmaningar i din bästa ålder – det vill säga om du inte led av benskörhet, begränsad rörlighet eller var astronaut. Forskare har vetat sedan de första dagarna av rymdflygning att mikrogravitation negativt påverkar bentätheten i en avancerad takt. Att undersöka denna konsekvens av att leva i rymden ger forskare möjlighet att påskynda studier av benhälsa.
Benforskning började i början av mänskliga rymdresor, med experiment både i rymden och på marken. Detta studieområde fortsätter idag ombord på den internationella rymdstationen med undersökningar som bygger på deras föregångare. Besättningsmedlemmar kommer att förlora ungefär lika mycket bentäthet på en månad som en postmenopausal kvinna förlorar under loppet av ett år. Forskare kan vända detta negativa till ett positivt genom att använda mikrogravitationsförhållandena för att utföra mer forskning på kortare tid. Deras undersökningar i rymden undersöker orsakerna till benförlust och identifierar motåtgärder, samtidigt som de bidrar till utvecklingen av behandlingar för användning på jorden och i rymden.
"Under ett sex månaders uppdrag kan vi forska om att motverka benförlust som skulle ta en motsvarighet till ungefär en femårig longitudinell studie på jorden", säger Scott M. Smith, Ph.D., chef för Nutritional Biochemistry Laboratory vid NASA:s Johnson Space Center i Houston. "Detta hjälper oss att se förändringar i fysiologi snabbare än på jorden, och i en studiepopulation som är mycket annorlunda än de typiska [mark]studierna. Detta perspektiv bidrar till övergripande förståelse och ger ett värdefullt tillägg till den allmänna kunskapsbasen – vilket gör att vi alla kan komma till behandlingar snabbare.”
I en nyligen publicerad publikation, "Fifty Years of Human Space Travel:Impplications for Bone and Calcium Research", ser Scott och hans kollegor tillbaka på lärdomar. Han påpekar att i jakten på att bekämpa benförlust i mikrogravitation vinner vi mark på att främja benhälsan på jorden. Till exempel har modelldjursforskning med gnagare i rymden redan bidragit till kliniska prövningar för läkemedel som kan lindra benförlust. Vissa av dessa behandlingar är redan tillgängliga för människor att använda.
Forskningen fortsätter på omloppsbana, till exempel med Pro-K-undersökningen, som kommer att avsluta provinsamlingen med den nuvarande besättningen. Målet med Pro-K är att utveckla ett sätt att optimera näringen genom att undersöka hur kosten påverkar skelett. Specifikt tittar forskare på hur ett minskat förhållande mellan animaliskt protein och kalium som en astronaut konsumerar kan lindra bennedbrytning. Frågan är om besättningen äter mer frukt och grönsaker med mindre kött, kommer detta att bidra till att förbättra skelettets hälsa?
Fynden kan ha konsekvenser för dem som lider av benförlust på jorden, vilket ger möjlig minskning genom rätt balans i en individs kost. "Det arbete som görs för rymdresenärer bidrar unikt till den övergripande kunskapsbasen inom näring och benbiologi", säger Smith.
Att bygga bättre ben är dock inte så enkelt som att dricka din mjölk, oavsett om du dricker från ett glas eller en kaffekopp. Även om vitamin D och kalcium är bland de viktiga komponenterna, är det faktiskt en komplex strävan för forskare att identifiera den rätta balansen mellan motåtgärder, som delas in i tre kategorier:fysisk, farmakologisk och näringsmässig. Vad forskarna fann är att näring är en stor del av denna ekvation, men det fungerar i kombination med rätt typ och mängd träning. Dessa fynd publicerades i Journal of Bone and Mineral Research .
"Vi har sett under de senaste åren att näring och träning kan hjälpa till att skydda bentätheten hos astronauter", säger Smith. "Det är första gången på mer än ett halvt sekel av rymdfärd som vi har sett detta. Vi är inte klara, men vi gör framsteg, och det är otroligt spännande.”
Forskare hade misstänkt att kost och motion, precis som på jorden, var ett vinnande lag för att hålla mänskliga ben friska. Tillämpningen av denna kunskap översattes dock inte omedelbart till rymdmiljön. De första försöken att träna på rymdstationen Mir och tidiga dagar på den internationella rymdstationen visade liten effekt för att lindra benförlust. Besättningen behövde motståndsbaserad träning som gav tillräckligt med "vikt" för att produktivt stressa ben och muskler. Gå in i Advanced Resistance Exercise Device (ARED), som lanserades 2008. Tillägget av ARED hjälpte forskare att bevisa att rätt typ av träning, i kombination med näring, kunde bibehålla bentätheten.
"Det som visades," sade Smith i sin publikation, "är att besättningsmedlemmar som hade tillgång till ARED återvände från flygning utan förlust av kroppsmassa, en ökad procentandel av mager massa, en minskad procentandel av fettmassa och underhåll av benmineraltäthet i de flesta regioner och i helkroppsskanningar.”
Mineralernas och kostens roll i benhälsan kom i ett annat fokus under rymdstationens bebyggelse. 2009, när besättningen genomförde vattenåtervinning med urin - en nödvändighet för långvarig rymdutforskning - måste systemet stängas av på grund av tryckproblem. Det visar sig att ett överskott av mineraler, särskilt kalciumsulfat, täppte till hårdvaran. Svavel, som användes i rymdstationens toalett, hade i kombination med kalciumbesättningsmedlemmar förlorats till följd av den accelererade bennedbrytningen i rymden. Den resulterande höga koncentrationen av kalcium i astronautens urin pekade inte bara på sambandet mellan benförlust och kalcium, utan också på behovet av att öka besättningsmedlemmarnas vattenförbrukning. På samma sätt bidrar ökad vattenförbrukning till att hålla risken för njursten låg – en annan oro för astronauter.
Forskare fortsätter att titta på rätt mängd kalciumintag och andra kostfaktorer för benhälsa, inklusive vitamin D, omega-3-fettsyror, protein och kalium, natrium, järn och fosfor. Nästa studie som planeras för rymdstationen som söker den optimala balansen mellan kost och näring för benhälsa kallas Integrated Nutrition. Experimenten kommer att vara en gemensam ansträngning av NASA:s Space Food Systems Laboratory och Nutritional Biochemistry Laboratory-teamen vid Johnson.
"Vi arbetar med att optimera intaget av ett antal kostfaktorer som är kända för att ha skyddande effekter på ben i markbaserad forskning eller flygforskning för att hjälpa till att skydda ben under långvarig rymdfärd", säger Smith. "Vi är mycket optimistiska om utsikterna för detta för ben och tror att detta sannolikt kommer att ha positiva effekter på många andra kroppssystem också."
En del av denna mångfacetterade angelägenhet är att undersöka benstyrkan, inte bara som helhet, utan utifrån vilka delar av benet som byggs upp under motåtgärder. Forskare hoppas kunna ta reda på om det uppenbara förebyggandet faktiskt bara är uppbyggnaden av ytterligare ben från motståndsbaserad träning, snarare än ett stopp av förlusten totalt sett. Målet är att gå längre än bara densitet för att förstå hur rymdfärder påverkar benets styrka.
"Även om detta sätt att ombygga ben, med ökad benresorption och bildning, bibehöll benmineraltätheten, kan det ge ett ben med andra styrka egenskaper än vad som fanns före flygningen," fortsatte Scott. "Studier för att bedöma benstyrka efter flygning pågår vid NASA för att bättre förstå detta fenomen."
Och om du undrade, baserat på den tidigare jämförelsen med en postmenopausal kvinnas benförlust, tittar forskare också på kön. Under loppet av studier på omloppsbana har forskare funnit likheter mellan könen när det gäller bearbetning av benmineralnedbrytning.
"I juli i år publicerade vi data som visar att mäns och kvinnors reaktion på rymdfärd - och på kost och träning - inte var annorlunda med avseende på ben- och njurstensrisk", sa Smith. "Antalet astronauter som flygs är fortfarande relativt litet...men växer hela tiden. Rymdstationen har gett en fantastisk plattform, och den har redan gett oss många år av långvariga flygningar. Vi börjar kunna se skillnader i respons när motåtgärder utvecklas och skillnader mellan undergrupper av astronauter.”
Publikationer :
- Smith SM., et al., "Män och kvinnor i rymden:benförlust och risk för njursten efter långvarig rymdfärd," Journal of Bone and Mineral Research, 2014 Jul;29(7):1639-45. doi:10.1002/jbmr.2185.
- Scott M Smith, et al., "Fördelar för ben från motståndsövning och näring vid långvarig rymdfärd:bevis från biokemi och densitometri," Journal of Bone and Mineral Research, volym 27, nummer 9, sidorna 1896–1906 , 2012; DOI:10.1002/jbmr.1647
