- British Journal of Anaesthesia – An overview of space medicine
- NASA – Bioastronautics Roadmap. A Risk Reduction strategy for Human Space Exploration
- Science – The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight
- frontiers – Growing Tissues in Space
Il corpo umano nello spazio
Per poter mandare esseri umani su Marte, la NASA deve prima conoscere gli effetti sul corpo di un viaggio prolungato nello spazio. La soluzione? Studiare due gemelli astronauti, uno nello spazio e l'altro sulla Terra.
Adattamenti fisiologici nello spazio: una ricerca cruciale
Articolo tradotto dall'originale in francese
In orbita intorno alla Terra da quasi 25 anni, la Stazione Spaziale Internazionale è un gigantesco laboratorio di ricerca. Vi si svolgono numerosi esperimenti scientifici in diversi campi (astrofisica, fisica dei materiali, meccanica dei fluidi, biologia vegetale e animale, ecc.). In più, una parte significativa di questa ricerca riguarda lo studio dei meccanismi con cui il corpo umano si adatta alle condizioni dello spazio.
Some of the physical effects of a prolonged stay in space.
(Copyright: Hodkinson et al. – An Overview of Space Medicine1)
Gli astronauti sono le loro cavie
I cambiamenti che l'ambiente spaziale provoca sul corpo umano sono studiati e documentati da decenni2. I più noti sono la decalcificazione e la fragilità ossea, la perdita muscolare, la riduzione (temporanea o prolungata) delle capacità sensoriali e motorie, i disturbi cardiovascolari e i disturbi oculari. Nella stragrande maggioranza dei casi, questi disturbi possono essere ridotti con un'adeguata attività fisica durante la permanenza nello spazio e scompaiono gradualmente quando l'astronauta torna sulla Terra.
Detto ciò, studiare gli individui selezionati per andare nello spazio non è un compito facile. Infatti, in assenza di un soggetto di controllo, a volte è difficile attribuire certi cambiamenti fisiologici alle condizioni spaziali e non, ad esempio, alla naturale variabilità del corpo umano sotto stress.
Inoltre, gli studi sugli astronauti spesso raccolgono dati limitati a un singolo fattore biologico, senza incorporare effetti simultanei su diverse variabili. Spesso questi studi sono stati limitati a missioni di durata inferiore a sei mesi. Il seguente esperimento è stato quindi organizzato per ottenere una vera e propria panoramica di tutti i cambiamenti che il corpo di un astronauta subisce nello spazio.
L'astronauta americano selezionato è Scott Kelly. Il criterio principale è che ha un fratello gemello, Mark Kelly, ex astronauta ed ex pilota dello Space Shuttle statunitense. Poiché condividono lo stesso patrimonio genetico, gli studi sui gemelli ci permettono di analizzare il modo in cui la salute umana è influenzata dall'ambiente, indipendentemente dai cambiamenti fisici legati alla predisposizione genetica.
Mark Kelly (left) and Scott Kelly (right) (Copyright: NASA)
Per questo esperimento, Scott è salito sulla Stazione Spaziale Internazionale nel marzo 2015 e vi è rimasto per 340 giorni. Durante questo periodo, suo fratello Mark, rimasto sulla Terra, è stato sottoposto alla stessa batteria di test del suo gemello. Sono stati raccolti dati fisiologici, telomerici, trascrittomici, epigenetici, proteomici, metabolici, immunitari, microbiomici, cardiovascolari, oculari e cognitivi per 25 mesi (prima, durante e dopo il volo di Scott Kelly).
Questo controllo periodico è stato pubblicato3 nell'aprile del 2019. Secondo Susan Bailey, coautrice dell’articolo, si tratta della “valutazione più completa che abbiamo mai avuto della risposta del corpo umano al volo spaziale”.
Cambiamenti nel DNA
Alcune funzioni sono simili tra i due fratelli e non sono state influenzate dal volo nello spazio. Ad esempio, la risposta immunitaria al primo test di vaccinazione (in questo caso contro l'influenza) nello spazio è stata soddisfacente. Questa scoperta permette di prendere in considerazione le vaccinazioni durante le missioni di lunga durata.
Altre funzioni variavano in modo significativo, ma sono tornate identiche dopo il volo. Con grande sorpresa degli scienziati, la lunghezza dei telomeri di Scott Kelly è aumentata in modo significativo durante la permanenza nello spazio, per poi tornare alla lunghezza “normale” pochi giorni dopo il suo ritorno sulla Terra. I telomeri, le estremità non codificanti di ciascun filamento di DNA, hanno caratteristiche specifiche per proteggere i cromosomi. Tendono ad accorciarsi con l’età. Tuttavia, lo stile di vita e i fattori ambientali possono influenzare la velocità di questo accorciamento. I campioni prelevati prima, durante e dopo la missione di Scott nello spazio hanno rivelato che si sono verificati alcuni cambiamenti nell'espressione genica. Anche Mark, rimanendo sulla Terra, ha mostrato dei cambiamenti nell'espressione genica, ma di natura diversa.
The study carried out on the twin astronauts Scott & Mark Kelly over a period of 25 months, 12 of which were spent in orbit around the Earth by Scott. (Copyright: Garrett-Bakleman et al.)
Effetti temporanei
I cambiamenti subiti da Scott possono essere associati alla sua lunga permanenza nello spazio. Tuttavia, la maggior parte di questi cambiamenti era scomparsa sei mesi dopo il suo ritorno sulla Terra. I ricercatori ritengono che alcuni dei danni al DNA osservati siano attribuibili all'esposizione dell'organismo alle radiazioni. Allo stesso modo, il microbioma intestinale di Scott Kelly è cambiato chiaramente durante la missione, prima di tornare alla normalità alla fine dell'esperimento.
Per quanto riguarda le capacità cognitive, la maggior parte di esse (prontezza mentale, orientamento spaziale, ecc.) è rimasta invariata durante la permanenza di Scott nello spazio. Gli astronauti possono quindi mantenere un alto livello di prestazioni mentali durante le lunghe missioni. La diminuzione della prontezza mentale e dell’accuratezza osservata dopo l'atterraggio, che si è protratta per sei mesi, potrebbe essere semplicemente legata al riadattamento di Scott alla gravità terrestre e ai giorni intensi dopo la missione.
La permanenza del corpo umano in un ambiente alieno come lo spazio altera in modo significativo le sue funzioni, dal livello degli organi a quello del DNA. Anche se questi cambiamenti scompaiono quasi tutti al ritorno sulla Terra, il loro studio rimane essenziale per prepararsi a futuri soggiorni spaziali di lunga durata, presto sulla Luna e, in un futuro più lontano, su altri corpi del sistema solare.
“Non possiamo inviare esseri umani su Marte senza sapere come il volo spaziale influisce sull'organismo, compresi i microbi che viaggiano con gli esseri umani verso Marte”, ha dichiarato Fred W. Turek, autore dello studio sul microbioma, a proposito della missione di Scott. Con l'obiettivo della NASA di inviare persone su Marte nel 2035, il tempo stringe…
Ricerche nello spazio, applicazione sulla Terra
Alcuni studi medici non possono essere effettuati sugli astronauti stessi. Questo è il caso delle colture cellulari. Se condotti sotto l'influenza della gravità terrestre, questi esperimenti forniscono talvolta un modello distorto del comportamento delle cellule di un organismo vivente. Il motivo è che le cellule si trovano in un ambiente molto diverso da quello del corpo umano, per esempio, quando si trovano sul fondo di una piastra di Petri. A bordo della Stazione Spaziale Internazionale, in microgravità, le cellule formano complesse strutture 3D che assomigliano maggiormente ai tessuti reali. Questo fornisce un modello molto migliore per studiare il loro comportamento e la loro evoluzione, ad esempio, con lo scopo di far progredire la medicina rigenerativa o per testare gli effetti di nuovi farmaci. È stato dimostrato4 che le cellule cancerogene della tiroide umana, o anche le cellule endoteliali, formano un tipo di aggregati 3D “sferoidi” dopo l'esposizione alla microgravità per 14 giorni. Durante la formazione di questi aggregati, è stato possibile studiare i fattori coinvolti nell'angiogenesi, nella proliferazione, nell’adesione cellulare, nella migrazione o nella segnalazione della matrice extracellulare. Queste scoperte hanno conseguenze molto pratiche: potrebbero aiutare a creare tessuti umani, sia per i trapianti che per la progettazione di test antidroga.