Enquanto os humanos se preparam para se aventurar mais profundamente no espaço sideral, incluindo possíveis viagens a Marte, os pesquisadores estão trabalhando arduamente para tentar compreender e mitigar os efeitos da baixa gravidade e da radiação nos corpos dos viajantes espaciais.

"As pessoas pensam na tecnologia como o fator limitante dos voos espaciais, Mas isso não, "disse Thomas Lang, PhD, um professor de radiologia e imagem biomédica na UC San Francisco. "A fisiologia humana é o fator limitante."

O vôo espacial parece ter um efeito particularmente notável no músculo-esquelético, sistemas cardiovascular e imunológico. Muitas das mudanças que os pesquisadores estão vendo como resultado dos voos espaciais são semelhantes às observadas no envelhecimento, embora eles aconteçam muito mais rápido no espaço.

"Estamos sintonizados em viver na gravidade, "Lang disse.

Como as empresas aeroespaciais privadas e a NASA estão competindo para serem as primeiras a pousar em Marte, Pesquisadores da UCSF, e muitos outros em todo o país, estão estudando os efeitos das viagens espaciais - e tentando encontrar maneiras de compensar esses impactos.

Perda óssea, Dor nas costas e ameixas secas

Desde os primeiros voos espaciais da Apollo nas décadas de 1960 e 1970, os efeitos do espaço nos músculos e ossos são evidentes. Depois de apenas oito dias em órbita, os astronautas da Apollo estavam tão fracos que tiveram que ser retirados de suas cápsulas de pouso.

Nas décadas seguintes, astronautas, como aqueles na Estação Espacial Internacional (ISS), começaram a se exercitar para manter os ossos e músculos condicionados durante as estadias de seis meses. Ainda, muitos astronautas sofrem de dores nas costas durante anos depois de retornarem à Terra.

Para descobrir por que a dor nas costas ocorre após a exposição à baixa gravidade, Jeffrey Lotz, PhD, a David Bradford Endowed Chair of Orthopaedic Surgery na UCSF, recentemente estudou a coluna vertebral dos astronautas após seu tempo no espaço.

O que ele encontrou o surpreendeu.

Ele imaginou que a dor nas costas surgia de discos inchados com água que normalmente seriam espremidos ao se manter uma postura ereta na gravidade. Em vez de, ele descobriu que a fonte da dor nas costas era o descondicionamento dos músculos multífidos, pequenos músculos que conectam e sustentam as vértebras.

Lotz está trabalhando com a NASA para desenvolver um programa de exercícios multifidus que os astronautas podem fazer dentro das restrições de uma nave espacial em gravidade zero.

O exercício é fundamental não apenas para a força muscular, mas para a saúde óssea também, e Lang vem estudando o efeito das viagens espaciais nos ossos há décadas. "Bones não é apenas uma estrutura rígida, "ele disse." Eles crescem e se reparam em resposta às cargas de suporte contra a gravidade. "

A falta de gravidade interrompe o ciclo natural da função óssea, que é mais ou menos assim:células ósseas chamadas osteócitos detectam regiões de diminuição da tensão ou danos ao tecido ósseo, desencadeando outras células, chamados osteoclastos, para reabsorver o osso que não é mais necessário para enfrentar o esforço ou que foi danificado por esforços repetitivos. O trabalho dos osteoclastos desencadeia mais uma célula, o osteoblasto, para mover e reconstruir o osso onde for necessário.

Na ausência de gravidade, a reconstrução não parece ocorrer como resultado da redução do esforço ósseo. Isso pode colocar os astronautas em risco de perda óssea e fraturas durante suas missões. Daniel Bikle, MD, PhD, professor de medicina e dermatologia, usando estudos de camundongo, determinaram que a microgravidade afeta a comunicação entre as células ósseas necessárias para o processo de crescimento e reparo ósseo.

"É uma via de sinalização bidirecional, "diz Bikle." As células ósseas regulam a função umas das outras. "A falta de gravidade produz uma interrupção nessa sinalização, e os osteoclastos continuam a reabsorver o osso, mas os osteoblastos não o reabastecem. Bikle acredita que essa mesma via pode estar envolvida na osteoporose. Se então, desvendar os detalhes deve fornecer uma visão que beneficia uma população muito maior do que os viajantes espaciais.

Lang avaliou a densidade óssea de astronautas voltando da ISS e descobriu que, após seis meses, elas perderam entre 6% e 9% da densidade óssea total de seus quadris - perdendo quase tanto em um mês quanto uma mulher na pós-menopausa perde em um ano. Em um estudo focado na perda óssea no quadril, Lang e colegas descobriram que um ano após o voo, a massa óssea total foi quase totalmente recuperada, mas o osso recuperado foi redistribuído, resultando em uma arquitetura óssea semelhante à de uma pessoa idosa.

Exposição à radiação, além da microgravidade, durante o vôo espacial causa perda óssea para os astronautas, embora um estudo indique uma receita surpreendente para isso.

Bernard Halloran, PhD, um professor do Departamento de Medicina, descobriram que ratos submetidos à radiação e alimentados com uma dieta contendo pó de ameixa perderam significativamente menos ossos.

Seus próximos passos são discernir quais compostos nas ameixas são responsáveis ​​pelo efeito. "Essa abordagem é muito promissora, mas não é tão simples quanto enviar pessoas ao espaço com um caminhão de ameixas, "ele disse." Precisamos isolar o composto e colocá-lo em uma pílula. "

Cerne da questão:o sistema cardiovascular

A radiação e a baixa gravidade do espaço também têm impacto no sistema vascular do corpo, causando problemas circulatórios para os astronautas quando eles retornam à Terra e um risco aumentado de ataque cardíaco mais tarde na vida.

Marlene Grenon, MD, professor associado de cirurgia vascular, há muito se interessa pelos efeitos dos voos espaciais no sistema vascular. "Os astronautas estão em boa forma, e os protocolos de exercícios fazem parte de suas vidas, "disse Grenon." Então, queremos saber o que está acontecendo aqui. É radiação? Gravidade? Outros fatores fisiológicos? "

Grenon, que tem um diploma em Ciências Espaciais da International Space University e desenvolveu o primeiro curso da UCSF sobre o efeito do voo espacial no corpo, estudou os efeitos da microgravidade simulada na função das células endoteliais vasculares que revestem o interior dos vasos sanguíneos.

Grenon cultivou essas células e as colocou em um ambiente que simulava gravidade muito baixa. Ela descobriu que a falta de gravidade causa uma diminuição na expressão de certos genes nas células que afetam a adesão da placa à parede do vaso. Embora as implicações dessas mudanças ainda não sejam claras, é evidente que a falta de gravidade afeta a função celular.

Além disso, trabalho anterior de Grenon mostrou que a microgravidade cria mudanças nas células que conduzem eletricidade no coração, o que pode colocar os astronautas em risco de arritmias cardíacas.

Os colegas de Grenon, Sonja Schrepfer, MD, PhD, e Tobias Deuse, MD, também professores de cirurgia, estão ajudando a juntar as peças desse quebra-cabeça ao determinar quais mudanças na função das células vasculares são evidentes após o voo espacial.

Schrepfer em 2016 estudou os sistemas vasculares de camundongos que passaram um tempo no ISS, bem como células vasculares cultivadas em um ambiente de microgravidade na Terra. Sua equipe ainda está analisando seus dados, mas até agora parece que as paredes das artérias carótidas tornaram-se mais finas em ratos no espaço, possivelmente porque a gravidade mais baixa exigia menos pressão sanguínea para a circulação.

A equipe também descobriu que as células cultivadas mostraram mudanças na expressão e controle do gene que se assemelham às mudanças observadas em pacientes com doenças cardiovasculares na Terra.

Embora essas mudanças possam não ser prejudiciais à microgravidade da Estação Espacial, na Terra, eles resultam em má circulação sanguínea.

"Quando os astronautas retornam à gravidade da Terra, fraqueza muscular é apenas parte da razão pela qual eles não conseguem ficar de pé, "Schrepfer disse." Eles também não levam sangue suficiente para o cérebro, porque a função dos vasos está prejudicada. "

Há esperança:Schrepfer e sua equipe identificaram uma pequena molécula que impede o afinamento das paredes vasculares em camundongos. Ela e sua equipe estão planejando fazer testes de segurança dessa molécula em humanos em um futuro próximo.

Sistema imunológico e reparo celular

Schrepfer também recebeu um prêmio para estudar os efeitos da microgravidade no sistema imunológico como um modelo de envelhecimento, tanto no espaço quanto depois de retornar à Terra. Ela tem uma alma gêmea em Millie Hughes-Fulford, PhD, professora adjunta de medicina e a primeira mulher cientista a trabalhar no espaço. Hughes-Fulford conduziu experimentos a bordo do ônibus espacial Columbia em 1991, e tem investigado as mudanças na expressão gênica em células T no espaço desde cerca de 2003.

"Mais da metade dos astronautas da Apollo tinham algum tipo de problema imunológico, "ela disse." Então, sabíamos naquela época que o sistema imunológico não estava funcionando bem no espaço. "

Seu trabalho atual envolve não apenas olhar para a expressão do gene, mas também para o papel do microRNA (miRNA) - moléculas minúsculas que podem ligar ou desligar genes. Sua pesquisa revelou cinco desses miRNAs, cada um dos quais controla os genes que ativam as células T, não estavam funcionando corretamente.

"Antes disso, poderíamos dizer que os genes não estavam sendo ativados, mas não sabíamos porque, "disse Hughes-Fulford." Agora nós conhecemos os reguladores dos genes. "

Essas mudanças são as mesmas vistas no envelhecimento, deixando os idosos com sistemas imunológicos menos robustos. No espaço, no entanto, as mudanças começam a ocorrer após 30 minutos, enquanto em um ser humano, podem levar 30 anos. A pesquisa de Schrepfer e Hughes-Fulford pode ajudar as pessoas que viajam no espaço, mas também é uma oportunidade para estudar mudanças que podem ser desafiadoras ao longo de décadas na Terra.

Por outro lado, algumas pesquisas estão confirmando que outras funções fisiológicas podem suportar voos espaciais.

Fathi Karouia, PhD, pesquisador profissional da Escola de Farmácia da UCSF e cientista do Centro de Pesquisa Ames da NASA, estava envolvido em um estudo que mostra que o processo de reparo do DNA - vital para a saúde de um organismo a longo prazo - parece ser relativamente afetado pelo ambiente do voo espacial.

Karouia, que nos últimos três anos participou de muitos experimentos que examinam a função celular em voos espaciais, colaborou com Honglu Wu, PhD, do Centro Espacial Johnson da NASA, para estudar células de fibroblastos cultivadas a bordo da ISS. Sua investigação analisou como o voo espacial, e microgravidade em particular, afeta a resposta das células ao dano ao DNA.

Avaliando as células de fibroblastos quando elas retornaram, Karouia e seus colegas viram que as células expostas ao espaço repararam seu DNA com a mesma eficácia que células semelhantes que permaneceram na Terra.

"A história não é clara, no entanto, "Karouia disse." O reparo do DNA também depende do tipo de célula e das condições de crescimento. Este tipo de trabalho pode nos ajudar a entender os processos de reparo do DNA em todas as células, como algumas células cancerosas conseguem se reparar, apesar do tratamento de radiação prejudicial. " Karouia disse, estudos como esses ajudarão a abordar os riscos de radiação durante voos espaciais prolongados, incluindo a missão a Marte.

Enquanto a pesquisa sobre o efeito das viagens espaciais no corpo humano continua, os pesquisadores concordam que, antes que possamos enviar humanos a Marte, precisamos saber mais sobre o que é necessário para seu ambiente de vida para mantê-los vivos e saudáveis.

"A melhor maneira de eliminar um programa é matar as pessoas envolvidas nele, "disse Hughes-Fulford." Se vamos enviar espaçonaves para Marte, precisamos entender como sustentar as pessoas que vivem dentro deles. "