Kosmiczny połów odpowiedzią na utratę masy kostnej w mikrograwitacji

8

Po psach, myszach i małpach na podbój kosmosu wyruszają ryby. To ich przygodom na pokładzie ISS przyjrzymy się w dzisiejszym artykule.

Każdy od czasu do czasu staje przed ciężkim zadaniem jakim są porządki. Zaczynamy wtedy wyciągać wszystko z szaf, dokonujemy selekcji na mniej lub bardziej potrzebne przedmioty, a te które uważamy za zbędne, zazwyczaj wyrzucamy do kosza, bo po co mają zalegać na półce. Z czasem jednak zdajemy sobie sprawę, że postąpiliśmy lekkomyślnie, bo wyrzucone rzeczy okazałby się akurat bardzo pomocne. Niestety, w tym momencie jedyne co możemy zrobić to rozłożyć ręce w akcie desperacji. Okazuje się, że pod tym względem jesteśmy podobni do sposobu funkcjonowania ludzkiego organizmu w stanie nieważkości. Obecne badania wykazały, że bez względu na długość trwania misji kosmicznej astronauci wracają na Ziemię z ubytkami masy kostnej. „Czego nie używasz – wyrzuć’ – to podstawowa mantra naszego organizmu. Problem z naszym szkieletem wydaje się mieć podobną naturę, choć jest to zjawisko zdecydowanie bardziej skomplikowane. O ile rozumiemy przebieg tego procesu na poziomie molekularnym, o tyle w chwili obecnej nie jesteśmy w stanie mu zapobiegać. Naukowcy próbując zgłębić istotę tego problemu wysłali na ISS małe słodkowodne ryby. Badając ich kości, szczęki i zęby próbowali odkryć potencjalne skutki przebywania w stanie nieważkości. Wydaje się, że najnowsze badania potwierdzają wcześniejsze przypuszczenia naukowców.

Dotychczasowe wyjaśnienia utraty masy kostnej przez astronautów zakładały zwiększoną aktywność osteoklastów – małych, kościożernych komórek – kanibali, które odpowiedzialne są za rozkładanie macierzy kostnej. Względnie stała masa kośćca zakłada utrzymującą się równowagę w działaniu osteoklastów i osteoblastów – komórek odpowiedzialnych za wytwarzania tkanki kostnej. W stanie nieważkości owa równowaga miałaby więc przesuwać się na korzyść osteoklastów, stąd procesy resorpcji przeważałyby nad syntezą macierzy kostnej.

Współautor i główny badacz projektu Akira Kudo, profesor w Graduate School of Bioscience i Biotechnology at Tokyo Institute of Technology, powiedział, że badania wykazały zwiększoną objętość i aktywność osteoklastów oraz znaczne zmniejszenie gęstości mineralnej kości u ryb przebywających na pokładzie ISS. Korzystając z mikroskopów elektronowych badacze zauważyli nieprawidłowości w mitochondriach osteoklastów (mitochondria są jednymi z licznych organelli wewnątrz większości naszych komórek, które odpowiedzialne są za przetwarzanie żywności w energię).Badania genetyczne wykazały znaczący wzrost w aktywności dwóch genów, które zaangażowane są we właściwe funkcjonowanie mitochondriów. Sugeruje to, że wzrost aktywności osteoklastów może być połączony z reakcją mitochondriów na stan nieważkości.

Jeśli jest to również prawdziwe dla astronautów, leki ukierunkowane na dysfunkcję mitochondriów mogą ograniczyć utratę masy kostnej w przestrzeni“, powiedział Kudo. Dodatkowe badania są więc niezbędne do weryfikacji otrzymanych wyników, ponieważ być może jesteśmy blisko wyjaśnienia tej „kościożernej” zagadki.

Ryby przebywające w przestrzeni kosmicznej wykazywały normalny wzrost ciała, mimo że zmniejszyła się gęstość mineralna ich kości i zębów. Regularne obserwacje wykazały, że na początku trwania lotu ryby pływały normalnie, jednak pod koniec trwania misji trwały w bezruchu w wodzie. Oznacza to, że wpływ mikrograwitacji na gęstość kości prawdopodobnie wiąże się ze zmianami siły mechanicznej, która obniża ogólną aktywność fizyczną, a tym samym powoduje aktywację osteoklastów.

Mechanizm utraty masy kostnej z wiekiem był trudny do zrozumienia na Ziemi. Eksperyment z użyciem „kosmicznych ryb” pozwolił na odkrycie nowych genów odpowiedzialnych za wpływ nieważkości na funkcjonowanie ludzkich kości oraz stanowi dobry model zwierzęcy do wyjaśnienia tego mechanizmu. Tego rodzaju prace mogą przyspieszyć rozwój leków zmniejszających utratę masy kostnej u astronautów a także w leczeniu osteoporozy.

Inne badania przeprowadzone na wspomnianych rybach pozwoliły na zidentyfikowanie 11 genów zaangażowanych w zmiany w innych tkankach, w tym mózgu i jelit. Kilka z tych genów pokrywało się z tymi zaangażowanymi w procesy utraty masy kostnej, co czyni je prawdopodobnie swoistymi sensorami mikrograwitacji. Naukowcy planują więc przetestować funkcje tych genów w kolejnych eksperymentach, również na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Po raz kolejny okazuje się, że nie tylko astronauci, ale i przysłowiowy Kowalski może korzystać z osiągnięć sektora kosmicznego. W dzisiejszych czasach warto przypomnieć, że kosmos przestał być jedynie zainteresowaniem agencji kosmicznych, dla których zdrowie i życie człowieka pozostaje najwyższym priorytetem. Bardzo prawdopodobne, że powyższe badania są „małym krokiem człowieka, ale wielkim dla ludzkości” gdyż zrozumienie istoty wpływu nieważkości na nasz organizm otworzy ludziom bramy kosmosu.

Wszyscy zdają sobie sprawę, że po Księżycu przyszła kolej na Marsa, o czym przypomniał nam ostatnio chociażby „Marsjanin”. Pomimo tego, że rozwiązanie problemów technicznych takiej podróży wkrótce nie będzie stanowić kłopotu, to jednak nasze ciała wciąż pozostają niewolnikami nieważkości. Rozumiemy jej wpływ, ale nie potrafimy w sposób efektywny przeciwdziałać wielu zmianom, które za jej przyczyną zachodzą w ludzkim organizmie. Dopiero wtedy, gdy w pełni zrozumiemy kosmiczne środowisko, zamiast ryb to ludzie będą mogli wypłynąć w bezgraniczną otchłań kosmosu.

Źródło: PLoS ONE

Przekaż dalej

8 komentarzy

  1. A czy na obecnym stanie naszej wiedzy, przynajmniej teoretycznie, możemy przeprowadzić terapię genową blokującą działanie jakiś konkretnych genów?
    Przy diagnozach raka znane są sekwencje genowe powodujące zwiększone prawdopodobieństwo zachorowania. Czy można je “blokować”?
    Bo co nam z tego jak poznamy sekwencje genów odpowiedzialnych za utratę tkanki kostnej jak nie możemy blokować działania konkretnych genów w ogóle?

    • Jeżeli te geny mają swoiste mechanizmy regulujące ich ekspresję to jak najbardziej chociaż to nie jest jedyne rozwiązanie, jakie daje nam znajomość tych genów. Jeżeli mówimy o genie to myślimy od razu o tym, co dzięki niemu powstaje w komórce, czyli mowa o białku, które pełni określoną funkcję biokatalityczną. Wystarczy więc opracować odpowiedni bloker/inhibitor takiego białka by znieść jego działanie w komórce. Tak właśnie działają leki – nie jest konieczna interakcja leku bezpośrednio z DNA by znieść jego działanie, wystarczy opracować taki metabolit, który wybiórczo będzie wiązał się z białkiem i go unieczynniał. Tak np działa ibuprofen (Ibuprom) – on poprzez blokowanie cyklooksygenazy uniemożliwia syntezę prostaglandyn, które warunkują odczucie bólu. Blokując cyklooksygenazę nie powstają prostaglandyny i w efekcie ból znika. Tutaj najprawdopodobniej zastosuje się podobne techniki

  2. “Pomimo tego, że rozwiązanie problemów natury technicznej takiej podróży wkrótce nie będzie stanowić kłopotu to jednak mimo wszystko nasze ciała ciągle pozostają niewolnikami nieważkości. ”
    A nie niewolnikami grawitacji, mimo że przez jakiś czas po powrocie z orbity astronauci mogą się czuć niewolnikami stanu nieważkości ?
    A można poznać empiryczne dane dotyczące utraty masy kośćca ? Czyli jak to masowo wygląda w zależności od długości trwania pobytu w stanie nieważkości ? Czy da się jakoś określić granice trwania misji kosmicznych w stanie nieważkości ? Czyli po jakim czasie trwania takiej wyprawy zmiany byłyby tak znaczące, że przy obecnym stanie środków medycznych byłoby zbyt ryzykowne trwanie zbyt długich pobytów astronautów na stacji orbitalnej z punktu widzenia ubytku masy kostnej ?
    Wydaje się zasadne prowadzenie długich pobytów ludzi w stanie obniżonej grawitacji księżycowej. Ale może na początek rybki na Księżycu ? Tak będzie taniej zdiagnozować pewne stany organizmów żywych. Można by prowadzić wówczas badania porównawcze dotyczące mniejszej i prawie zerowej grawitacji.
    Może Elon Musk zabrałby się za takie badania ? Skoro wstępnie czas ludzi na Marsa został określony przez Muska na ok. 2025 to trzeba działać w miarę szybko nie tylko w dziedzinie rakietnictwa. Długość czasu trwania podróży na Marsa już jest przetestowany np na ISS. Ale jak sobie astronauci poradzą po wylądowaniu na Marsie w warunkach zwiększonej grawitacji ? Może przy pomocy wspomagania robotycznego? Egzoszkielety mogłyby być tutaj pomocne.
    Przecież Musk nie zaryzykuje wyprawy kolonialnej na Czerwoną Planetę, bez wcześniejszego poznania rezultatów przebywania organizmu ludzkiego w chociażby odmiennych warunkach grawitacji przez czas odpowiednio długi. Więc może po drodze Księżyc, jako tester dla organizmów żywych ?

    • Zależy jak to ugryźć – czy patrzymy na ludzi jako istoty przystosowane do życia jedynie w warunkach ziemskiej grawitacji czy patrzymy na nieważkość jako powód, dla którego nie możemy opuścić Ziemii bo poza nią nasze ciała zaczynają wariować.
      Kiedyś czytałem, że niezależnie od długości trwania misji (porównując np misje miesięczne i 5 – miesięczne) ubytek masy kostnej był taki sam i wynosił mniej więcej 10 %. Nasz organizm nigdy nie robi nic bez sensu więc taka zmiana ma jak najbardziej charakter adaptacyjny do stanu nieważkości. Problem zaczyna się, gdy astronauci wracają na ląd. O ile na Ziemii mają na swoje zawołanie poczet najlepszych lekarzy o tyle np na Marsie w wielu kwestiach mogą być zdani jedynie na siebie. Poza tym utrata masy kostnej to tylko wierzchołek góry lodowej, zarówno jak kości organizm obniża masę mięśniową (zmienia się także proporcja włókien budujących mięśnie – szybko kurczące się włókna białe użyteczne w stanie nieważkości zastępują włókna czerwonone przydatne w warunkach ziemskiej grawitacji), objętość krążącej krwi itp. Jeżeli chodzi np o ubytki mięśniowe to oczywiście nie pozostaje tajemnicą, że astronauci na ISS spędzają część swojego czasu na ćwiczeniach by ciągle stymulować mięśnie do pracy. Jednak pomimo tego ciągle występują ubytki zarówno kośćca i tkanki mięśniowej. Nie wiemy jak zachowują się mięśnie w stanie nieważkości bez ćwiczeń bo nikt nie ryzykował zdrowia i życia astronautów choć niezaprzeczalnie ćwiczenia na pewno w jakimiś stopniu przeciwdziałają skutkom nieważkości.
      Moim zdaniem najważniejszym osiągnięciem tych badań nie jest więc to, że prawdopodobnie znamy wyjaśnienie zagadki z ubytkami masy masy kośćca co potwierdzenie, że istnieje coś takiego jak “sensory nieważkości” (choć może powinne być one nazwane “sensorami grawitacji”). Badania pokazały, że istnieje ścisły związek między poziomem ekspresji określonych genów a przebywaniem w warunkach nieważkości i to jest tutaj najważniejsze. Tak czy inaczej – z mojej perspektywy Mars jest ogromnym wyzwaniem jeżeli chodzi o medycynę. Złożoność zjawisk zachodzących w ludzkim ciele w stanie nieważkości jest tak wielka że przeciwdziałanie im to nie ladw wyzwanie. Mam jednak nadzieję, że dzięki tym badaniom jesteśmy bliżej zrozumienia, jak to wszystko działa tam w kosmosie bo dopiero wtedy, gdy poznamy faktyczne przyczyny tych wszystkich zmian to dopiero będziemy mogli bez większego strachu wysyłać ludzi w kosmos.
      Więc chyba tak, prawdopodobnie jesteśmy niewolnikami grawitacji bo jednak bez niej zaczynamy totalnie świrować 😀

      • (…)Moim zdaniem najważniejszym osiągnięciem tych badań nie jest więc to, że prawdopodobnie znamy wyjaśnienie zagadki z ubytkami masy masy kośćca co potwierdzenie, że istnieje coś takiego jak “sensory nieważkości” (choć może powinne być one nazwane “sensorami grawitacji”).(…)

        To nie do końca tak to działa… Nieważkość oddziaływuje na jakieś struktury w organiźmie czy nasz wewnętrzny mikrokosmos i te “sensory” wykrywają właśnie te zmiany.

        • Nasz organizm nie działa w taki sposób, że odbiera jakiś bodziec i od razu reaguje na niego w odpowiedni sposób ale najpierw porównuje go z odpowiednią wartością i dopiero wówczas mamy do czynienia z odpowiedzią na bodziec. Bo popatrzmy np na sposób, w jaki radzi sobie nasz mózg z nieważkością w aspekcie zmysłu równowagi. Brak grawitacji sprawia, że otolity – małe kryształy CaCO3 przy minimalnym ruchu głowy zaczynają obijać się rykoszetem od wszystkich otaczających je struktur dlatego dochodzi do tzw. konfliktu sensorycznego, który jest przyczyną choroby lokomocyjnej u astronautów. Wiemy jednak, że po pewnym czasie te dolegliwości zanikają. Dlaczego? – bo nasz mózg nauczył się reinterpretować docierające do niego bodźce i kolokwialnie mówiąc stwierdził, że oczy mówią mu więcej nt. pozycji ciała niż ucho wewnętrze co prowadzi do pobudzenia odśrodkowej impulsacji powodując w ten sposób do wygaszenia niewłaściwych bodźców żeby nasz mózg niepotrzebnie przetwarzał niewłaściwe dane. Tak więc bodźcem nie jest nieważkość co konsekwencje braku grawitacji co powoduje patologiczną pracę odpowiednich struktur organizmu. Te z nich, które podlegają analizie przez mózg, po pewnym czasie są “przestawiane” na warunki, w których nie występuje grawitacja. Problemem są te struktury, których działanie jako tako nie jest regulowane przez mózg, jak np. procesy resorpcji i syntezy macierzy kostnej. Stąd też odkrycie genów, które zachowują się w inny sposób w warunkach grawitacji i nieważkości może prowadzić do wniosku, że działają one jak sensory grawitacji, gdyż jeżeli doprowadzimy do ich ekspresji bądź represji to np. będziemy mogli w sposób sztuczny indukować zmiany, które zachodzą w naszym organizmie na skutek opuszczenia środowiska ziemskiej grawitacji.

  3. (…)Oznacza to, że wpływ mikrograwitacji na gęstość kości prawdopodobnie wiąże się ze zmianami siły mechanicznej, która obniża ogólną aktywność fizyczną, a tym samym powoduje aktywację osteoklastów.(…)

    Jeśli jest tak faktycznie to chyba nie ma bezpośredniego przełożenia na organizmy, które mają kompletnie inną strukturę ciała i żyją poza wodą?

    • Szczerze powiedziawszy bardzo mądre pytanie bo w gruncie rzeczy ciekawe jest to, dlaczego zdecydowali się na wybór ryb jako obiektu badawczego. Podejrzewam, że o ich wyborze zadecydowała przede wszystkim prosta hodowla itd choć nie ukrywam, że trzeba trochę poszperać i przyjrzeć się temu bliżej.
      Nawiązując do pytania – według mnie nie powinno być znacznych różnic. Dzięki tym badaniom wreszcie mniej więcej wiemy czego i gdzie należy szukać. Badania wykazały, że ryby i ludzie reagują analogicznymi zmianami w obrębie szkieletu na skutek przebywania w mikrograwitacji – jeżeli więc u ryb udało się zidentyfikować wspomniane geny działające jako “sensory nieważkości” to u ludzi najprawdopodobniej powinne występować ich odpowiedniki więc teoretycznie nie powinno być znacznych różnic pomiędzy organizmami żyjącymi w wodzie jak i poza nią