Immagine: stazione spaziale.Credit: Public Domain.
Un ritorno sulla Luna, spedizioni su Marte e un aumento del turismo spaziale porteranno a un numero crescente di voli spaziali umani. La raccolta “Biologia gravitazionale e medicina spaziale” si concentra sulle sfide per la salute degli esseri umani nello spazio durante le missioni spaziali a lungo termine e sui cambiamenti fisiologici durante condizioni di gravità alterate a breve termine, la possibile influenza della radiazione spaziale, le contromisure disponibili e le possibili applicazioni sulla terra.
Vivere un volo spaziale è il sogno di molti appassionati e di coloro che lavorano nella ricerca spaziale. Tuttavia, sebbene un viaggio nello spazio sia affascinante, sfortunatamente può causare vari problemi di salute a breve e lungo termine. I corpi umani e animali subiscono drammatici cambiamenti dopo un lungo soggiorno sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
La medicina spaziale si occupa degli effetti fisiologici e biologici del volo spaziale sull’organismo umano, sui suoi organi, tessuti e cellule. Comprende la somministrazione di farmaci ad astronauti, cosmonauti, taikonauti e viaggiatori spaziali privati nello spazio e sulla Terra, insieme allo sviluppo di contromisure per i vari problemi di salute degli esseri umani nello spazio.
Per ragioni mediche e biotecnologiche, è importante studiare animali e cellule di mammiferi che sono esposti a microgravità reale (r-µ g ) nello spazio. È necessario rilevare i cambiamenti cellulari responsabili dei vari problemi medici spesso osservati negli esseri umani sulla ISS. La risposta cellulare alla microgravità ( µg ) è stata parzialmente descritta per gli esseri umani e per i modelli animali, mentre i meccanismi di regolazione intracellulare sono ancora un mistero. Gli studi su interi organismi, cellule e tessuti non sono solo complementari, ma essenziali per un’interpretazione olistica. In tali modelli, sono stati caratterizzati diversi meccanismi molecolari coinvolti nei processi biologici.
Gli studi su tessuti e cellule esposti a r-µ g sono rari e piuttosto costosi. Per questo motivo, i ricercatori hanno sviluppato dispositivi di simulazione per generare µg sulla Terra, come il bioreattore a parete rotante (RWV) sviluppato dalla NASA, la macchina di posizionamento casuale (RPM), il levitatore magnetico.
Gli esseri umani nello spazio possono sperimentare vari problemi di salute. L’immunosoppressione durante il volo spaziale aumenta il rischio di infezioni. I membri dell’equipaggio sono esposti a diversi fattori di stress, che alterano potenzialmente la composizione dei loro microbiomi. Voorhies et al hanno studiato nove astronauti e hanno dimostrato che la composizione del microbioma degli astronauti (tratto gastrointestinale, pelle, naso e lingua) è stata modificata durante i viaggi nello spazio. In particolare, il microbioma cutaneo alterato potrebbe essere coinvolto nelle eruzioni cutanee frequentemente osservate e negli episodi di ipersensibilità degli astronauti. Questi risultati richiedono un ulteriore esame dettagliato prima che inizi l’esplorazione spaziale più profonda. Moore et al hanno dimostrato che il volo spaziale di lunga durata influisce negativamente sulla competenza dell’operatore dopo l’atterraggio. Otto membri dell’equipaggio hanno sperimentato un disagio generale nella funzione motoria e nella percezione del movimento dopo una missione e una mancanza di riserva cognitiva. Questi risultati suggeriscono che lo sviluppo di contromisure dovrebbe mirare all’effetto cumulativo dei sottili cambiamenti fisiologici osservati il giorno dell’atterraggio. Reynolds et al hanno studiato 301 astronauti e 117 cosmonauti, dimostrando che le radiazioni spaziali non hanno un forte impatto sulla loro mortalità. Hanno dimostrato che le stime di sopravvivenza dalle curve di Kaplan-Meier erano ampiamente congruenti con quelle dei metodi di rischio concorrenti, suggerendo che se le radiazioni ionizzanti influiscono sul rischio di morte a causa di cancro e malattie cardiovascolari, l’effetto non è drammatico. Tuttavia, gli autori hanno concluso che la futura esplorazione dello spazio profondo potrebbe fornire dosi maggiori di radiazioni spaziali, portando a un diverso profilo di rischio per futuri astronauti e cosmonauti; pertanto, è importante continuare a monitorare i potenziali effetti nocivi di tale esposizione.
Il Rodent Habitat della NASA sulla ISS è stato utilizzato per studiare il comportamento dei topi in r-µ g e per indagare i cambiamenti in diversi tessuti. L’analisi comportamentale dettagliata di questi topi fornisce un sistema modello utile per aumentare la nostra conoscenza delle risposte umane al volo spaziale. Questi studi offrono l’opportunità di esaminare come il movimento fisico influenza le risposte a µ g .
Ogneva et al hanno studiato i tessuti dei vasi deferenti e dei testicoli di topi che volavano nello spazio. Hanno scoperto che durante il volo spaziale di 3 settimane si è formato un profilo proteico adattivo nel tessuto germinativo dei topi maschi. I cambiamenti di espressione dell’mRNA potrebbero essere importanti durante il primo periodo di riadattamento, poiché potrebbero portare a un aumento dell’espressione dei geni bersaglio.
Il volo spaziale è associato alla perdita di massa muscolare e forza. Cadena et al hanno studiato E3 ubiquitina ligasi MuRF1 (dito RING 1 muscolo-specifico) nei topi nello spazio sulla ISS. L’atrofia del muscolo scheletrico in questi topi è stata potenziata da meccanismi unici nello spazio.
- Un altro importante problema di salute per i membri dell’equipaggio è il danno strutturale e funzionale agli occhi indotto dal volo spaziale. Mao et al hanno studiato i topi sulla ISS. Hanno dimostrato la rottura della barriera emato-retinica (BRB) e l’adattamento oculare dopo la missione di 35 giorni. Studi di proteomica post-volo hanno rivelato cambiamenti nella morte cellulare (apoptosi), nel ciclo cellulare, nelle risposte immunitarie, nella funzione mitocondriale e nello stress metabolico nei topi che volavano nello spazio rispetto agli animali di controllo a terra. I risultati di questo studio mostrano una risposta cellulare complessa che influenza la struttura della retina e l’integrità del BRB dopo la missione spaziale di 35 giorni.
- Un secondo studio che ha valutato i cambiamenti oculari dopo il volo spaziale ha identificato 600 geni espressi in modo differenziale mediante sequenziamento dell’RNA nelle retine di topo. I geni differenzialmente espressi erano associati alla retinite pigmentosa e ai cambiamenti nella struttura della cromatina. Inoltre, gli spessori della retina, dell’epitelio pigmentato retinico e dello strato coroideo erano inferiori dopo il volo spaziale, indicando che i cambiamenti della retina causano problemi visivi. Infine, il sequenziamento del cDNA dell’intero trascritto ha mostrato che una permanenza di 35 giorni in orbita sulla ISS può alterare l’espressione genica omeostatica delle milze dei topi mediante una combinazione di µg e altri fattori di stress ambientali.
La ricerca sul cancro nello spazio è attualmente un’area di studio popolare, con la prospettiva che i ricercatori sviluppino nuove strategie di trattamento del cancro
In conclusione, la raccolta ” Biologia gravitazionale e medicina spaziale ” offre un’ampia panoramica dei diversi argomenti di ricerca spaziale (Fig. 1 ).
La raccolta di studi ha contribuito alla raccolta ” Biologia gravitazionale e medicina spaziale “. Parti della figura sono state disegnate utilizzando immagini di Servier Medical Art ( http://smart.servier.com/ ), con licenza Creative Commons Attribution 3.0 Unported License ( https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ ).
Fonte: Nature
