Estudios de la NASA sobre los efectos biomédicos del vuelo espacial

Transcripción

1 Estudios de la NASA sobre los efectos biomédicos del vuelo espacial Jaime Miquel Calatayud Dpto. de Biotecnología Universidad de Alicante Ex-Jefe de Patología Experimental NASA

2 Las fuerzas naturales que se encuentran dentro de nosotros son las que verdaderamente curan las enfermedades Hipócrates 78

3 Introducción: aspectos históricos. Antes de los primeros vuelos espaciales se temía que la exposición a la radiación cósmica y a la microgravedad ("ingravidez") podría ser muy peligrosa o incluso causar la muerte de animales y sujetos humanos. Causaba especial preocupación el efecto que pudiera tener sobre el encéfalo y la retina la irradiación con protones y partículas pesadas de origen cósmico. No obstante el programa de investigación de la Experimental Pathology Branch de la NASA en colaboración con la Universidad de California en Berkeley, proporcionó numerosos datos (obtenidos en animales de laboratorio irradiados en aceleradores de partículas) que sugerían que la radiación cósmica no haría peligrar la salud de los astronautas excepto en misiones espaciales de varios años de duración. Por ello el interés de nuestros estudios se concentró en la reacción de los organismos a la otra importante alteración medio-ambiental a la que se exponen los viajeros espaciales, o sea la microgravedad. Afortunadamente, pronto se demostró en los programas de investigación espacial soviético y americano que tanto los animales de laboratorio como los cosmonautas y astronautas podían adaptarse a la microgravedad a la que estaban expuestos en vuelos balísticos y orbitales. Misiones posteriores de mucha mayor duración, como la Skylab americana y vuelos en los vehículos soviéticos Soyuz y la estación espacial Salyut demostraron que los viajes espaciales podían completarse con éxito por los sujetos humanos pero que la microgravedad desencadenaba un gran número de respuestas fisiológicas de adaptación al medio e incluso algunos procesos fisiopatológicos que, por su amenaza para la salud y rendimiento, podrían imponer límites al tiempo de permanencia de las tripulaciones en el espacio. Merece mención que los resultados de los programas espaciales soviético y americano parecían confirmar las hipótesis enunciadas por el precursor de las ciencias del espacio Konstantin E. Tsiolkovsky. En efecto, a finales del siglo XIX, este matemático ruso ya propuso la utilización de cohetes para propulsar vehículos espaciales tripulados y predijo los más importantes efectos de la microgravedad: "No tendremos peso, solo masa. Podremos tener en nuestras manos cualquier masa sin sentir ningún peso. No hay arriba ni abajo". Tsiolkovsky no se limitó a especulaciones teóricas sino que fue el fundador de la fisiología gravitacional experimental, al llevar a cabo experimentos de centrifugación de insectos y aves que mostraron que "el aumentar cinco veces su peso no tenían efectos perjudiciales sobre estos animales". Por otra parte predijo que la anatomía y fisiología de animales y plantas sí que podría alterarse como consecuencia de la exposición a un ambiente ingrávido. Desde 1948 a 1961, las investigaciones de los EEUU en preparación de los vuelos espaciales tripulados se iniciaron con una serie de vuelos en los que ratones, ratas y monos alojados en el cono de cohetes balísticos fueron expuestos brevemente a numerosos estreses que incluían la microgravedad. Por otra parte, de 1951 a 1960 la Unión Soviética utilizó en su programa de fisiología espacial perros entre los que destaca "Layka", que en el vuelo del Sputnik-2 (de 1957) fue el primer "viajero" que orbitó la Tierra en un satélite artificial. Poco después, el vuelo de Yuri Gagarin en Vostok I dio un gran impulso al desarrollo de la tecnología necesaria para los vuelos tripulados así como a la investigación biomédica necesaria para aumentar la seguridad de las tripulaciones. 79

4 Los vuelos tripulados de la NASA, desde el programa Mercury hasta los viajes a la Luna del programa Apollo, y especialmente las misiones del laboratorio espacial Skylab, proporcionaron mucha información sobre las reacciones de los sujetos humanos a la ingravidez. Sin embargo, en comparación con el programa soviético, en los primeros vuelos de la NASA hubo una relativa falta de interés en el desarrollo de la biología espacial, pues en pocas ocasiones animales de experimentación fueron enviados al espacio con los astronautas en los vehículos americanos. Los primeros estudios de biología espacial de la NASA, en los años sesenta, se realizaron exponiendo cultivos celulares e insectos a la microgravedad en biosatélites automáticos, y en las décadas de los setenta y los ochenta, se obtuvieron numerosos datos en un programa conjunto URSS/USA que utilizaba como vehículos espaciales biosatélites Kosmos. Gracias a este programa, en el que la Experimental Pathology Branch de la NASA dirigió dos experimentos para investigar los efectos de la ingravidez sobre el desarrollo y el envejecimiento del insecto Drosophila melanogaster, fue posible exponer una variedad de organismos a los estreses del vuelo espacial durante períodos de hasta 20 días. Como resumiremos a continuación, los resultados de estas investigaciones demostraron que algunos procesos biológicos fundamentales son mas insensibles a la ingravidez de lo que se esperaba, mientras que otros, como el envejecimiento, son muy sensibles a cambios en la intensidad de las fuerzas gravitacionales. Conceptos básicos y modelos de "ingravidez". Los factores físicos que intervienen en la producción de microgravedad han sido objeto del siguiente comentario: "Desde un punto de vista físico, un cuerpo sólo podría ser ingrávido en ausencia de las fuerzas de aceleración, lo que, según la Ley de Gravitación Universal, es teóricamente imposible. Sin embargo, la ingravidez puede ser simulada por la "caída libre" en aviones que descienden en picado y en satélites en órbita en los que la fuerza centrífuga contrarresta la atracción de la Tierra. Por ello la NASA recomendó la utilización del término ingravidez para designar esta variedad de situaciones "sin peso demostrable ni sus efectos". Y aunque ningún procedimiento consigue la total eliminación de la fuerza gravitacional y de aceleración, por lo cual los términos hipogravedad o microgravedad son más correctos, a menudo se les substituye por ingravidez. La denominación gravitational physiology fue aceptada en una reunión del Committee on Space Research, en 1971, porque "se estaba demostrando que el estudio de los efectos del medio ambiente espacial sobre los organismos de la Tierra era factible y válido científicamente, como una rama de la fisiología ambiental". Concretamente, "la fisiología gravitacional investiga las reacciones de los organismos a todo el rango de fuerzas gravitacionales de mayor o menor intensidad que la fuerza que ejerce la gravedad sobre todos los objetos que permanecen inmóviles en la superficie de la Tierra". Además, se puede considerar la fisiología gravitacional desde el punto de vista de tres áreas de estudio interconectadas: (a) Relación con la salud y supervivencia de los sujetos humanos en el espacio. (b) Utilización de la microgravedad en los vuelos espaciales como un medio para investigar aspectos fundamentales de biología y medicina. (c) Modelos experimentales para poder observar en la Tierra reacciones de los organismos semejantes a las que causan fuerzas gravitacionales mayores o menores que la gravedad terráquea. Numerosas investigaciones de la NASA utilizaron los modelos de bed rest y de inmersión en agua (para sujetos humanos), y de suspensión del cuerpo e inmobilización (para 80

5 animales de laboratorio), pues a causa de la hipokinesia e hipodinamia que las acompañan tienen algunos efectos semejantes a los de la microgravedad en vuelo espacial. Por otra parte, la rotación horizontal en clinostatos (un modelo de los expertos en fisiología vegetal para estudiar la influencia de la gravedad sobre las plantas) también mostró su utilidad en experimentos realizados en nuestro laboratorio en preparación de los mencionados vuel os en biosatélites espaciales para investigar los efectos de la microgravedad sobre el desarrollo y el envejecimiento de los insectos. El primer estudio americano de larga duración sobre los efectos de la hipergravedad (conseguida mediante rotación en grandes centrífugas) se realizó en Esta investigación, en la cual se mantuvo a ratas en campos de 3g y 8g de fuerza centrífuga en períodos de hasta un año, fue continuada por otros estudios, incluido uno de nuestro laboratorio, que demostraron que, de acuerdo con la teoría gerontológico del rate-of-living, la exposición prolongada de ratas a 3.5g aumentaba su consumo de alimento y aceleraba su envejecimiento. El uso de clinostatos y centrífugas gigantes en el Ames Research Center de la NASA, en California, ha sido muy útil para el desarrollo de la fisiología espacial, y más concretamente para ayudar en el proceso de selección de los proyectos que, por sus expectativas de rendimiento científico, merecen llevarse a cabo en biosatélites o vehículos espaciales tripulados. Estudios de biología espacial. Además de las investigaciones en sujetos humanos que revisaremos seguidamente, la NASA ha realizado experimentos más básicos para comprender mejor el papel de la fuerza de gravedad en la biología celular y en la formación de la estructura y funciones de los organismos. Así, las numerosas investigaciones en animales revisadas por J. Miquel y K.A. Souza (NASA Technical Memorandum: An Overview of Gravitational Physiology, 1991) sugieren que los procesos fundamentales de mitosis, diferenciación celular y desarrollo embrionario no son directamente alterados por la microgravedad. Por otra parte, los estudios de nuestro laboratorio en insectos adultos de la especie Drosophila melanogaster expuestos a la microgravedad (en el biosatélite del vuelo espacial Kosmos-936) muestran una aceleración del envejecimiento de estos insectos. Los mecanismos responsables de este efecto están probablemente ligados a una mayor actividad motora y consiguiente "estrés metabólico". Es lógico que sin la orientación que proporciona la percepción del vector de la gravedad por sus órganos sensores, las drosófilas tengan dificultad para controlar el vuelo. Esto puede causar una actividad desordenada con aumento del consumo de oxígeno, que según la teoría de los radicales libres acelera el envejecimiento. Por su pequeño tamaño y fácil mantenimiento, la rata ha sido el mamífero de laboratorio más utilizado en los estudio de biología y fisiopatología gravitacional. Según numerosos estudios de los programas americano y soviético la microgravedad causa la siguiente secuencia de reacciones adaptativas y fisiopatológicas en este mamífero: I. Ligero estrés. II. Adaptación al ambiente espacial. III. Un estado de "pérdida de rendimiento" 81

6 (acompañado de cambios atróficos en el miocardio y músculos esqueléticos) que se observa cuando los animales vuelven a la Tierra tras el vuelo espacial. Por otra parte, el aparente efecto inhibidor de la microgravedad sobre el desarrollo del sistema esquelético de ratas alojadas en vehículos espaciales ha sido exhaustivamente investigado como modelo experimental para una mejor comprensión de la pérdida de calcio que tiene lugar en el sistema esquelético de los astronautas. Con respecto a la cuestión clave del programa de investigación biológica de la NASA o sea la identificación de las células y sistemas fisiológicos que se alteran durante el vuelo espacial, los datos sugieren que dos tipos de células diferenciadas (para realizar funciones fisiológicas especializadas) son especialmente vulnerables a la microgravedad. El primer tipo celular es el principal componente del sistema músculo-esquelético, que ha evolucionado para hacer posible la locomoción contrarrestando la atracción de la fuerza de gravedad de la Tierra. El segundo tipo celular se encuentra en los órganos de orientación (estatocistos, otolitos, etc.) que "perciben" la dirección del vector de la gravedad. Reacciones fisiológicas de los sujetos humanos expuestos a la microgravedad en vuelos espaciales. Numerosos estudios realizados en astronautas muestran que generalmente las náuseas y otros síntomas del "mareo espacial" que a menudo causa la microgravedad desaparecen con la adaptación, aunque algunos sujetos son incapaces de adaptarse. La mayoría de los astronautas describen la experiencia del vuelo espacial como agradable si se evitan los movimientos bruscos de la cabeza. Por otra parte, otro de los efectos de la microgravedad es una redistribución de los fluidos de las piernas hacia el torso y la cabeza, que puede resultar molesta. Más importantes son los cambios en el sistema músculoesquelético (cierto grado de atrofia y pérdida de calcio), que aunque no suponen una amenaza para el mantenimiento de la salud y la capacidad funcional en los vuelos actuales (sobre todo si se realiza ejercicio físico), ponen límites (junto con dosis excesivas de radiación cósmica) a la duración máxima de futuras misiones espaciales. Un tema al que la NASA dedicó atención por su interés teórico y práctico es el probable efecto de una exposición prolongada a la microgravedad, en vuelos espaciales de muy larga duración, sobre el proceso de envejecimiento. A diferencia de lo que ocurre con las drosófilas, la microgravedad podría frenar el envejecimiento humano en lugar de acelerarlo. Así, según nuestra hipótesis (presentada en el Workshop on Space Gerontology, NASA Ames Research Center, 1978): "A pesar de la aceleración del envejecimiento del sistema músculo esquelético, si se pudiera permanecer muchos años en microgravedad, se podría aumentar la duración de la vida a causa de la disminución del metabolismo". Esta hipótesis está de acuerdo con datos que sugieren que aproximadamente un tercio de las calorías ingeridas por los sujetos humanos en condiciones normales, en la Tierra, se usa para aportar la energía necesaria para contrarrestar los efectos de la gravedad. De acuerdo con actuales conceptos sobre las causas del envejecimiento, el descenso del metabolismo tendría un efecto protector contra la desorganización de células y órganos que tiene lugar con el paso del tiempo y lleva a la pérdida de rendimiento fisiológico. Como ejemplo de la probable utilidad desde el punto de vista biomédico de futuros experimentos a realizar en vuelos espaciales, concluíamos en el mencionado Workshop: "El estudio del envejecimiento 82

7 en el espacio podría aclarar las oscuras relaciones entre los estímulos ambientales y los órganos diana que modulan el proceso de envejecimiento y establecen un límite a la duración máxima de la vida de todos los organismos de las especies superiores, incluidos los miembros de la especie humana". 83