Еще до начала освоения человеком космоса высказывались серьезные и обоснованные опасения по поводу воздействия на людей микрогравитации космоса из-за потенциальных системных эффектов на земные формы жизни, адаптированные к земной гравитации . Разгрузка скелетных мышц, как на Земле в ходе экспериментов с постельным режимом, так и во время космического полета, приводит к ремоделированию мышц (атрофическая реакция). В результате происходит снижение силы скелетных мышц, устойчивости к усталости, двигательной активности и целостности соединительной ткани. Кроме того, существуют сердечно-легочные и сосудистые изменения, включая значительное снижение массы эритроцитов , которые влияют на функцию скелетных мышц. Эта нормальная адаптивная реакция на среду микрогравитации может стать помехой, приводящей к повышенному риску неспособности или снижению эффективности выполнения членами экипажа физически сложных задач во время внекорабельной деятельности (EVA) или по возвращении на Землю.
В американской программе пилотируемых космических полетов единственной контрмерой для функциональных дефицитов скелетных мышц в полете , которая использовалась до сих пор, являются физические упражнения. Аппаратное обеспечение и протоколы упражнений в полете менялись от миссии к миссии, в некоторой степени в зависимости от продолжительности миссии и объема доступного космического корабля . Коллективные знания, полученные в ходе этих миссий, помогли в развитии аппаратного обеспечения и протоколов упражнений, предназначенных для минимизации атрофии мышц и сопутствующего дефицита функций скелетных мышц. Российские ученые использовали различные аппаратные средства и протоколы упражнений в полете во время длительных космических полетов (до и более одного года) на борту космической станции «Мир». На Международной космической станции (МКС) использовалось сочетание резистивных и аэробных упражнений. Результаты были приемлемыми в соответствии с текущими ожиданиями относительно производительности членов экипажа по возвращении на Землю. Однако для миссий на Луну, создания лунной базы и межпланетных путешествий на Марс функциональные требования к работоспособности человека на каждом конкретном этапе этих миссий не были достаточно определены, чтобы определить, являются ли разрабатываемые в настоящее время контрмеры адекватными для удовлетворения требований к физической работоспособности.
Исследовательский доступ к членам экипажа во время космического полета ограничен. Разработаны физиологические модели, привязанные к земле, и рассмотрены результаты. [1] Модели включают в себя горизонтальный или головной постельный режим , сухой иммерсионный постельный режим, иммобилизацию конечностей и одностороннее подвешивание нижних конечностей. Хотя ни один из этих наземных аналогов не обеспечивает идеальной имитации воздействия микрогравитации на человека во время космического полета , каждый из них полезен для изучения конкретных аспектов разгрузки мышц, а также для исследования сенсомоторных изменений.
Разработка, оценка и проверка новых контрмер к эффектам разгрузки скелетных мышц, вероятно, будут использовать вариации этих же базовых наземных моделей. Перспективные контрмеры могут включать фармакологические и/или диетические вмешательства, инновационные тренажеры, обеспечивающие улучшенные методы нагрузки, устройства для тренировки локомоторных мышц, пассивные тренажеры и искусственную гравитацию либо как неотъемлемый компонент космического корабля, либо как отдельное устройство, содержащееся в нем. Что касается последнего, то гемодинамические и метаболические реакции на повышенную нагрузку, обеспечиваемую центрифугой с человеческим приводом, были недавно описаны. [2]
До запуска первого американского астронавта суборбитальные полеты нечеловекообразных приматов ( шимпанзе ) продемонстрировали, что запуск и вход в атмосферу, а также кратковременное воздействие микрогравитации являются событиями, в которых можно выжить. [3]
Первоначальная биомедицинская проблема, с которой столкнулся проект Mercury (который длился с 1959 по 1963 год), заключалась в установлении критериев отбора для первой группы астронавтов. Медицинские требования к астронавтам Mercury были сформулированы Комитетом по биологическим наукам NASA , консультативной группой выдающихся врачей и ученых-биологов. Окончательные критерии отбора включали результаты медицинского тестирования, а также техническую компетентность и опыт кандидатов. Для проведения стрессового и психологического тестирования кандидатов на астронавтов были вызваны сотрудники и учреждения авиационной медицины Министерства обороны . Процедуры скрининга и тестирования, определенные для отбора астронавтов Mercury, послужили основой для последующего отбора астронавтов Gemini и Apollo , когда эти программы были инициированы.
Хотя полеты «Меркурия» были в основном демонстрационными, а самая продолжительная миссия «Меркурия» длилась всего около 34 часов, проект «Меркурий» наглядно продемонстрировал, что люди могут переносить условия космического полета без серьезных острых физиологических последствий, а также была получена некоторая полезная биомедицинская информация, в том числе: [4]
Из-за короткой продолжительности миссии проекта «Меркурий» было мало опасений по поводу потери опорно-двигательной функции; поэтому не было разработано никаких тренажеров или протоколов для использования во время полета. Однако критерии отбора гарантировали, что астронавты будут в отличной физической форме перед полетом.
Биомедицинская информация, полученная во время полетов Mercury, обеспечила позитивную основу для перехода к следующему этапу, программе Gemini , которая проводилась в течение 20 месяцев с марта 1965 года по ноябрь 1966 года. Основной заявленной целью программы Gemini было достижение высокого уровня эксплуатационной уверенности в пилотируемых космических полетах. Для подготовки к миссии по высадке на Луну необходимо было достичь трех основных целей. Это были:
Таким образом, проект Gemini предоставил гораздо лучшую возможность для изучения влияния микрогравитации космического полета на людей. В 14-дневном полете Gemini 7 были проведены важные наблюдения для более тщательного изучения физиологических и психологических реакций астронавтов в результате воздействия космического полета и связанной с ним среды микрогравитации.
Программа Gemini привела к примерно 2000 человеко-часов невесомости американских астронавтов. Дополнительные наблюдения включали наличие послеполетной ортостатической непереносимости, которая сохранялась до 50 часов после приземления у некоторых членов экипажа, снижение массы эритроцитов на 5–20% от предполетного уровня и рентгенологические признаки деминерализации костей в пяточной кости. Не было отмечено существенного снижения эффективности выполнения задач миссии, и не было получено никаких конкретных измерений мышечной силы или выносливости, которые сравнивали бы предполетный, полетный и послеполетный уровни.
Главной целью программы «Аполлон» была высадка астронавтов на поверхность Луны и их последующее безопасное возвращение на Землю. Биомедицинские результаты программы «Аполлон» (1968–1973) были собраны в 11 пилотируемых миссиях, которые были завершены в течение пятилетнего периода программы «Аполлон», в ходе предлунных полетов (миссии 7–10); первой высадки на Луну (миссия 11) и пяти последующих исследовательских полетов на Луну (миссии 12–17). «Аполлон-13» не завершил свою запланированную миссию по посадке на Луну из-за взрыва сосуда высокого давления в служебном модуле. Вместо этого он благополучно вернулся на Землю после достижения частичной лунной орбиты.
Существенным для успешного завершения программы «Аполлон» было требование, чтобы некоторые члены экипажа предпринимали длительные и напряженные периоды внекорабельной деятельности (EVA) на поверхности Луны. Существовала обеспокоенность относительно способности членов экипажа совершать экскурсии по поверхности Луны, запланированные для некоторых миссий «Аполлон» . Хотя ожидалось, что уменьшенная лунная гравитация сделает некоторые задачи менее напряженными, уменьшенная подвижность скафандра в сочетании со сложным и амбициозным графиком привели к прогнозу, что метаболическая активность будет превышать результирующие уровни в течение длительных периодов. Поскольку характер и масштабы физиологической дисфункции, возникающей в результате воздействия микрогравитации, еще не были установлены (и до сих пор не определены кратко), было проведено соответствующее физиологическое тестирование в рамках ограничений программы «Аполлон», чтобы определить, изменились ли физиологические реакции членов экипажа на упражнения в результате космического полета.
Первоначальное планирование программы «Аполлон» включало положения об измерениях в полете основных параметров, вызывающих беспокойство, включая физиологические реакции на упражнения. Однако пожар на космическом корабле «Аполлон-204» (также известном как «Аполлон-1» ), фатальный для астронавтов Гриссома, Уайта и Чаффи, привел к тому, что руководство НАСА инициировало изменения в программе, которые исключили такие перспективы. Таким образом, исследователям оставалась только возможность проводить предполетные и послеполетные исследования реакции на упражнения и предполагать, что эти результаты отражают изменения функции сердечно-легочных и скелетных мышц, вторичные по отношению к воздействию микрогравитации. На раннем этапе было осознано, что в контексте и ограничениях, налагаемых реалиями миссий «Аполлон», невозможность контролировать определенные переменные эксперимента будет представлять проблемы для многих биомедицинских исследований. Во-первых, процедуры повторной адаптации к земной гравитации внесли дополнительные сложности в хорошо контролируемый экспериментальный дизайн, поскольку члены экипажа Apollo проводили разное количество времени в некомфортно теплом космическом корабле, качающемся в океане, и, кроме того, ограничения орбитальной механики на время возвращения в атмосферу налагали время восстановления экипажа, которое не позволяло проводить пред- и послеполетные испытания в рамках схожего циркадного графика. Влияние этих неконтролируемых условий и других физических и психологических стрессов нельзя отделить от реакций, приписываемых только воздействию микрогравитации. Таким образом, данные, касающиеся физиологических реакций на стресс от физических упражнений у астронавтов Apollo, должны интерпретироваться в этом общем контексте.
Стандартизированная программа упражнений в полете не была запланирована ни для одного из полетов Apollo; однако в некоторых миссиях предоставлялось тренажерное устройство (рисунок 6-1). Члены экипажа, находясь в командном модуле (CM), обычно использовали тренажер несколько раз в день в течение 15–20 минут.
Предполетное и послеполетное тестирование состояло из градуированных тестов на нагрузку, проводимых на велоэргометре . [ 5] Частота сердечных сокращений использовалась для определения уровня стресса, [6] и те же уровни частоты сердечных сокращений использовались для предполетного и послеполетного тестирования.
Хотя точная продолжительность каждого уровня стресса была немного скорректирована (1–2 минуты) для более поздних миссий Apollo для получения дополнительных измерений, протокол градуированного стресса включал уровни упражнений 120, 140 и 160 ударов в минуту, соответствующие легкой, средней и тяжелой работе соответственно для каждого человека. Для миссий Apollo 9 и 10 был добавлен уровень стресса 180 ударов в минуту. Весь протокол испытаний проводился три раза в течение 30-дневного периода перед стартом. Послеполетные тесты проводились в день восстановления (посадки) и еще раз через 24–36 часов после восстановления.
Во время каждого теста производились измерения рабочей нагрузки, частоты сердечных сокращений, артериального давления и дыхательного газообмена ( потребление кислорода , выделение углекислого газа и минутный объем). Для миссий Apollo 15–17 измерения сердечного выброса проводились методом одиночного дыхания. [7] [8] Артериовенозные различия в кислороде рассчитывались на основе измеренных данных о потреблении кислорода и сердечном выбросе.
Собранные данные были объемными и обобщены в табличной форме Раммелем и др. [5] Дитлейн предоставил краткий обзор результатов. [9] Вкратце, снижение работоспособности и потребления кислорода значительной степени было отмечено у 67% (18 из 27) членов экипажа Аполлона, протестированных при восстановлении. Это снижение было временным, и 85% протестированных (23 из 27) вернулись к исходному предполетному уровню в течение 24–36 часов. Значительное снижение объема сердечного удара было связано с уменьшением толерантности к физической нагрузке. Было неясно, началось ли снижение физической нагрузки во время полета. Если это так, данные Аполлона не показали точного хода времени в полете из-за отсутствия возможностей измерения в полете. Результаты работы астронавтов на поверхности Луны не давали оснований полагать, что какое-либо серьезное снижение толерантности к физической нагрузке произошло во время полета, за исключением того, что было связано с отсутствием регулярных упражнений и атрофией мышечного дисфункциона. [9]
Исследования, проведенные во время миссии «Аполлон», хотя и не были оптимальными, не оставили сомнений в том, что снижение толерантности к физическим нагрузкам произошло в период сразу после приземления, хотя считается, что такого снижения не было во время выхода в открытый космос. Кажется вероятным, что за наблюдаемое снижение отвечают несколько факторов. Вероятно, этому способствовали отсутствие достаточной физической нагрузки и развитие атрофии мышечной дисфункции. Катаболические процессы в тканях могли быть усилены повышенной секрецией кортизола в результате стресса от миссии и индивидуальной реакции членов экипажа на такой стресс. Также могут быть задействованы дополнительные факторы, связанные с возвращением к гравитации Земли . Это, наблюдаемое уменьшение ударного объема (сердечного выброса), безусловно, способствует и, в свою очередь, является отражением уменьшения венозного возврата и сокращенного эффективного объема циркулирующей крови, вызванного факторами космического полета. [9] Атрофия скелетных мышц упоминается в связи с ее возможным вкладом в непереносимость физических нагрузок, и в некоторых из более поздних полетов «Аполлона» были выполнены измерения обхвата нижних конечностей (данные не опубликованы), что предоставило первые доказательства потери мышечной массы в ногах.
Программа Skylab (май 1973 г. – ноябрь 1974 г.) изначально была направлена на создание лаборатории наук о жизни в космосе. Было проведено значительное количество экспериментов для получения физиологических данных от людей, подвергавшихся длительному пребыванию в условиях микрогравитации.
56-дневная наземная симуляция многих экспериментов Skylab, проведенная в контролируемой окружающей средой, закрытой камере, была названа Skylab Medical Experiments Altitude Test и представляла собой первую миссию. Три последующие орбитальные миссии были названы Skylab 2, 3 и 4. Эти три долгосрочные миссии длились 28, 56 и 84 дня соответственно. В совокупности миссии Skylab достигли важной вехи в предоставлении обширного массива биомедицинской информации о пилотируемых космических полетах во время миссий большей продолжительности, чем любая предыдущая миссия.
Что касается текущей проблемы потери мышечной массы и функции, то в ходе трех орбитальных миссий Skylab были проведены два ключевых исследования. Во-первых, объемы ног и рук были рассчитаны путем измерения обхвата (окружности) смежных 3-сантиметровых сегментов рук и ног, рассматривая все сегменты как короткий конический цилиндр, а затем суммируя объемы сегментов для получения объема каждой конечности.
Второе исследование включало первые измерения мышечной силы с помощью динамометра . [ 10] [11] В дополнение к измерениям, касающимся непосредственно силы и массы скелетных мышц, были проведены косвенные измерения, которые показали, что у всех членов экипажа Skylab был отрицательный азотный баланс [12], что указывает на истощение скелетных мышц. Это также наблюдалось 10 лет спустя у членов экипажа краткосрочных космических челноков . [13]
Объемы верхних и нижних конечностей, полученные у трех членов экипажа Skylab 4, показаны на рисунке 6-2. Сдвиги жидкости внесли наибольшие изменения в объемы нижних конечностей, но потеря массы тканей ног явно очевидна, особенно у командира. Как показано на графиках, значительная потеря объема ног происходит в течение первых нескольких дней воздействия микрогравитации, в то время как изменения в верхних конечностях менее заметны. По возвращении на Землю большая часть потери объема ног корректируется, и часто наблюдается кратковременная перекоррекция или перерегулирование . После того, как этот сдвиг жидкости разрешается, выявляется истинная потеря мышечной массы, оставшейся в ногах, которая более медленно возвращается к исходному или предполетному уровню (см. рисунок 6-2, нога во время восстановления на правой стороне графика для всех трех членов экипажа).
В Skylab 4 Commander потеря объема ног, по-видимому, составляет около 300 см3. (рисунок 6-2, самый верхний график). Поскольку набор тренажеров для этой миссии был самым большим (состоящий из велоэргометра , пассивной беговой дорожки и «Мини-спортзала», модифицированных коммерческих устройств, которые обеспечивали возможность выполнения упражнений с сопротивлением с низкой нагрузкой), потери мышечной массы и силы были меньше, чем в предыдущих двух миссиях меньшей продолжительности.
В ходе программы Skylab упражнения и тренажеры добавлялись постепенно, а тестирование расширялось с каждой миссией. Это создавало различную среду для упражнений для каждого полета, так что в действительности было три отдельных, но связанных орбитальных эксперимента, каждый с N=3. Результаты каждой миссии значительно влияли на следующую. [10]
Предполетная и послеполетная оценка мышечной силы проводилась на правой руке и ноге каждого члена экипажа для всех трех орбитальных миссий Skylab с помощью изокинетического динамометра Cybex . [10] Протокол, выполненный для каждого члена экипажа, включал тщательную разминку и 10 полных сгибаний и разгибаний с максимальным усилием руки в локте, бедра и колена с угловой скоростью 45° в секунду. Изокинетическая сила ног для всех трех миссий, а также вес тела и объемы ног представлены на рисунке 6-3.
На Skylab 2 для полетных упражнений был доступен только велоэргометр, тестирование проводилось за 18 дней до запуска и 5 дней после приземления. Хотя было осознано, что эти сроки слишком далеки от полета, это было лучшее, чего можно было достичь из-за ограничений графика. К моменту завершения мышечного тестирования на 5-й день, вероятно, произошло некоторое восстановление функции; однако заметное снижение все еще сохранялось. Снижение силы разгибателей ног составило почти 25%; руки пострадали меньше, но также показали заметные потери (данные не показаны). Разгибатели рук командира не показали потерь, поскольку он использовал эти мышцы при ручном вращении педалей велосипеда, будучи единственным членом экипажа Skylab, который применил этот режим упражнений для рук. Это проиллюстрировало фундаментальный момент в мышечной подготовке: чтобы поддерживать силу мышцы, ее необходимо напрягать до или около того уровня, на котором ей придется функционировать. Мышцы-разгибатели ног, важные для стояния и обеспечения движущих сил во время ходьбы, способны генерировать силы в сотни фунтов, в то время как силы разгибателей рук измеряются десятками фунтов. Силы, развиваемые при вращении педалей велоэргометра, обычно составляют десятки фунтов и, таким образом, не способны поддерживать силу ног. Велоэргометр оказался отличным тренажером для аэробных упражнений и сердечно-сосудистой подготовки, но он не был способен развивать ни тип, ни уровень сил, необходимых для поддержания силы при ходьбе при 1G. [10]
Сразу после Skylab 2 началась работа над устройствами, обеспечивающими адекватную тренировку рук, туловища и ног. Коммерческое устройство, названное «Mini Gym», было значительно модифицировано и обозначено как «MK-I». С этим устройством можно было выполнять только упражнения, которые в первую очередь приносили пользу рукам и туловищу. Хотя силы, передаваемые на ноги, были больше, чем от велоэргометра, они все еще были ограничены недостаточным уровнем, поскольку этот уровень не мог превышать максимальную силу рук, которая представляет собой часть силы ног. [10]
Второе устройство, обозначенное как «MK-II», состояло из пары ручек, между которыми можно было прикрепить до пяти пружин растяжения, что позволяло развивать максимальные усилия в 25 фунтов на фут. Эти два устройства летали на Skylab 3, и питание в полете, время упражнений и еда были увеличены. Экипаж выполнял много повторений в день своих любимых маневров на MK-I и в меньшей степени на MK-II. Кроме того, средний объем работы, выполненной на велоэргометре, был более чем удвоен на Skylab 3, при этом все члены экипажа принимали активное участие.
Ученые Skylb Life считали, что устройство, позволяющее ходить и бегать под действием сил, эквивалентных земной гравитации, обеспечит более интенсивные упражнения. [10] Сразу после завершения Skylab 2 началась работа над беговой дорожкой для Skylab 4. По мере подготовки миссии стартовый вес Skylab 4 увеличился настолько, что окончательный дизайн беговой дорожки был ограничен ограничениями по весу. Окончательный вес устройства составил всего 3,5 фунта. Это пассивное устройство (рисунок 6-4) состояло из алюминиевой поверхности для ходьбы с тефлоновым покрытием, прикрепленной к полу изо-решетки Skylab. Четыре резиновых троса-резинки обеспечивали эквивалентный вес около 80 килограммов (175 фунтов) и были прикреплены к плечевым и поясным ремням, которые носили члены экипажа во время использования. Наклонив тросы-резинки так, чтобы пользователь слегка тянулся вперед, был создан эквивалент скользкого холма. На некоторые мышцы ног, особенно на икры, возлагались высокие нагрузки, а усталость наступала так быстро, что устройство не могло использоваться для значительной аэробной работы из-за конструкции банджи/сбруи. Было абсолютно необходимо надевать носки и не ходить без обуви, чтобы обеспечить низкофрикционный интерфейс с тефлоновой поверхностью.
На Skylab 4 экипаж использовал велоэргометр практически с той же скоростью, что и на Skylab 3, а также тренажеры MK-I и MK-II Mini Gym. Кроме того, они обычно занимались ходьбой, прыжками и бегом трусцой на беговой дорожке по 10 минут в день. Потребление пищи снова было увеличено.
По возвращении на Землю и даже до мышечного тестирования было очевидно, что члены экипажа Skylab 4 находятся в очень хорошем физическом состоянии. Они могли стоять и ходить в течение длительного времени без видимых затруднений на следующий день после приземления (R+1), в отличие от членов экипажа из более ранних двух миссий. Результаты силового тестирования подтвердили удивительно небольшую потерю силы ног даже после почти 3 месяцев воздействия микрогравитации (рисунок 6-3). Фактически, сила разгибателей колена увеличилась по сравнению с предполетным уровнем (рисунок 6-13).
В ходе программы Space Shuttle (1981–2011) были проведены различные исследования, связанные с функцией скелетных мышц. Наиболее всеобъемлющим из них был ряд исследований, проведенных в ходе Extended Duration Orbiter Medical Project (EDOMP), который проводился в 1989–1995 годах с миссиями продолжительностью до 16 дней. Исследования, наиболее соответствующие риску, на котором сосредоточен этот отчет, включают следующие Подробные научные цели (DSO):
Коллективной конкретной целью DSO 477 и DSO 617 была оценка функциональных изменений концентрической и эксцентрической силы (пиковый крутящий момент) и выносливости (индекс усталости) туловища, рук и ног членов экипажа до и после полета. Динамометр LIDO®, расположенный в Космическом центре Джонсона и на основных и запасных площадках посадки, использовался для оценки концентрических и эксцентрических сокращений до и после полета.
Испытуемые в этом исследовании занимались спортом во время полета в течение различной продолжительности, интенсивности и количества дней на оригинальной беговой дорожке Shuttle (рисунок 6-5) (в отличие от беговой дорожки EDO, которая летала в более поздних миссиях Shuttle и была основой для беговой дорожки ISS) в рамках отдельных исследований в полете. Протоколы упражнений включали непрерывные и интервальные тренировки с предписаниями, варьирующимися от 60% до 85% от максимального потребления кислорода перед полетом, рассчитанного по частоте сердечных сокращений (HR). У некоторых испытуемых возникли трудности с достижением или поддержанием целевого HR во время полета. Тормоз (рисунок 6-5). Система ремней безопасности и банджи/троса использовалась для имитации веса тела путем создания сил, эквивалентных приблизительной массе тела 1-G. Испытуемые на этой немоторизованной беговой дорожке должны были ходить и бегать под положительным процентным уклоном для преодоления механического трения. Участники исследования были ознакомлены с протоколом и процедурами испытаний LIDO® примерно за 30 дней до запуска (L-30), после чего было проведено шесть сеансов испытаний. Три сеанса были завершены до запуска (L-21, L-14 и L-8 дни) и три после посадки (R+0, R+2 и R+7 до R+10 дни).
Группы мышц, которые были протестированы, показаны в таблице 6-1. Данные о крутящем моменте и работе были извлечены из кривых сила-положение. Сравнивались пиковый крутящий момент, общая работа и индекс усталости, измеренные в трех сеансах предполетных испытаний; когда не было обнаружено различий между сеансами, значения из трех предполетных сеансов усреднялись, и это среднее значение использовалось для сравнения предполетных значений с данными в день посадки и в послеполетный период.
Сила скелетных мышц определялась как пиковый крутящий момент, генерируемый на протяжении всего диапазона движения из трех последовательных произвольных сокращений для сгибания и разгибания. Эксцентрические сокращения - это действия мышцы, при которых сила генерируется, когда мышца удлиняется, в отличие от концентрических действий, при которых мышца укорачивается (сокращается), генерируя силу. Выносливость скелетных мышц определялась как общая работа, генерируемая в течение 25 повторений концентрического упражнения на колено, определяемая по площади под кривой крутящего момента для полного набора упражнений. Работа также сравнивалась между первыми 8 и последними 8 повторениями. Параметры выносливости измерялись только во время концентрического сгибания и разгибания колена. На R+0 значительное снижение концентрической и эксцентрической силы было показано в спине и животе по сравнению со средними значениями до полета (таблица 6-1).
Концентрическое разгибание спины и эксцентрическое дорсифлексия оставались значительно меньше значений до полета на R+7. Восстановление (увеличение пикового момента от R+0 до R+7) было продемонстрировано для эксцентрического живота и концентрических и эксцентрических разгибателей спины.
Однако данные, представленные в таблице 6-1, могут быть несколько обманчивыми, поскольку в некоторых случаях наблюдались огромные различия в силе между членами экипажа, которые тренировались во время полета, и теми, кто этого не делал. Например, некоторые члены экипажа, которые тренировались во время полета, на самом деле увеличили изокинетически измеренную силу в мышцах-разгибателях/сгибателях голеностопного сустава (передние и задние икроножные мышцы, то есть передняя большеберцовая мышца и комплекс икроножной/камбаловидной мышцы) по сравнению с членами экипажа, которые не тренировались и которые на самом деле показали снижение изокинетически измеренной силы в этих мышцах (рисунок 6-6).
Что касается выносливости, большая часть снижения общей работы квадрицепсов произошла на R+0. Это, вероятно, отражает значительную потерю в первой трети тренировочного раунда (−11%). Снижение пикового крутящего момента при более высоких скоростях теста на выносливость согласуется с изменениями, наблюдаемыми при более медленной угловой скорости, используемой во время силовых тестов. Крутящий момент для квадрицепсов при 75° в секунду был на 15% меньше предполетных значений, но для подколенных сухожилий был на 12% меньше предполетного среднего значения при 60° в секунду. Данные по выносливости показали небольшую разницу между предполетными тестами и тестами R+7, что позволяет предположить, что члены экипажа вернулись к исходному уровню через 1 неделю после приземления.
Кроме того, у испытуемых, которые занимались спортом во время полета, по сравнению с теми, кто этого не делал, наблюдались значительно большие ( p < 0,05) потери в течение 5 часов после приземления концентрической силы спины, концентрической и эксцентрической силы четырехглавой мышцы (30° в секунду) и эксцентрической силы подколенных сухожилий по сравнению с соответствующими значениями до полета (данные здесь не показаны). [14] По данным Гринизена и др., у не занимающихся спортом также наблюдалась значительно меньшая концентрическая сила четырехглавой мышцы при 75° в секунду и более низкая общая рабочая экстензия, работа первой трети сгибания и работа последней трети экстензии сразу после приземления, чем до полета. Исследователи пришли к выводу, что данные указывают на то, что мышцы менее способны поддерживать выносливость и противостоять усталости после космического полета, и что упражнения могут предотвратить снижение этих аспектов выносливости. [14]
Напротив, члены экипажа, которые занимались спортом во время полета, показали большую потерю силы мышц туловища при посадке, чем группа, не занимавшаяся спортом (рисунок 6-7). Однако сила сгибания и разгибания туловища перед полетом была существенно выше в группе, занимавшейся спортом, чем в группе, не занимавшейся спортом. По-видимому, упражнения на беговой дорожке не предотвратили снижение силы туловища после 9–11 дней космического полета, и исследователи предложили объяснение, что сохранение мышечной функции может быть ограничено только теми мышцами, которые эффективно используются в рамках режима упражнений.
Конкретной целью DSO 475, «Прямая оценка атрофии мышц до и после кратковременного космического полета», было определение морфологических и биохимических эффектов космического полета на скелетные волокна. [14] Для получения биомеханических и морфологических данных миофибрилл у членов экипажа Space Shuttle биопсии проводились один раз перед полетом (L – > 21 день) и еще раз в день приземления (R+0). Испытуемыми были восемь членов экипажа, трое из 5-дневной миссии и пятеро из 11-дневной миссии. Биопсии средней части m . vastus lateralis были получены с помощью 6-миллиметровой биопсийной иглы с отсасывателем. Односторонний парный t -тест использовался для выявления значимых различий ( p < 0,05) между средними значениями площади поперечного сечения волокон (CSA), распределения волокон и количества капилляров всех членов экипажа до полета и средними значениями для всех членов экипажа после полета.
Согласно этому отчету, [14] CSA медленно сокращающихся волокон (тип I) в биопсиях после полета была на 15% меньше, чем в биопсиях перед полетом; CSA быстро сокращающихся волокон (тип II) была на 22% меньше после полета, чем до него (рисунок 6-8). Средние значения не отражают значительную вариацию, наблюдаемую в биопсиях восьми участвовавших астронавтов. По крайней мере, часть этой вариации, вероятно, была результатом различий в типах и количестве предполетных и полетных контрмер (упражнения или отрицательное давление на нижнюю часть тела), используемых разными членами экипажа. Относительные пропорции волокон типа I и типа II были разными до и после 11-дневной миссии: распределение волокон также, по-видимому, следовало той же тенденции после 5-дневной миссии (больше волокон типа II и меньше волокон типа I после, чем до), но размер выборки был слишком мал, чтобы достичь статистической значимости. Количество капилляров на волокно значительно сократилось после 11 дней космического полета.
Однако, поскольку средний размер волокна также был уменьшен, количество капилляров на единицу площади поперечного сечения скелетной мышечной ткани осталось прежним. [14] [15] Атрофия обоих основных типов миофибрилл, с атрофией типа II > типа I, несколько отличается от более избирательной атрофии миофибрилл типа I, наблюдаемой в ненагруженных мышцах крыс Sprague-Dawley и Wistar [16] [17] [18], что представляет собой необычный случай, в котором существуют различия между реакциями скелетных мышц человека и мыши.
Целью DSO 606, «Количественная оценка размера скелетных мышц с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)», было неинвазивное количественное определение изменений размера, содержания воды и липидов в антигравитационных мышцах (мышцах ног) после космического полета. Этот эксперимент был первой попыткой измерить объемы конечностей до и после полета, поскольку использовались менее сложные методы измерения обхватов конечностей во время программ Apollo и SKylab. В число испытуемых вошли в общей сложности восемь членов экипажа Space Shuttle, пять из 7-дневного полета и трое из 9-дневного полета. Все испытуемые прошли один предполетный и два послеполетных теста на L-30 или L-16 и на R+2 и R+7. Тестирование включало получение МРТ-сканирования ноги (камбаловидной и икроножной) в Техасском университете – Хьюстонском научном центре здравоохранения, больнице Германа. Были получены многосрезовые аксиальные изображения ноги для идентификации и локализации различных групп мышц. Изменения в содержании воды и липидов измерялись, в дополнение к CSA, чтобы различать изменения в объеме жидкости по сравнению с объемом ткани. Несколько срезов измерялись с помощью компьютерной планиметрии.
CSA и объем всего отсека ноги, камбаловидной и икроножной мышц были оценены для оценки степени атрофии скелетных мышц. Объемы всех 3 отсеков были значительно меньше ( p < 0,05) после 7- и 9-дневных полетов на шаттле, чем до полета. Объем уменьшился на 5,8% в камбаловидной мышце, на 4,0% в икроножной мышце и на 4,3% во всем отсеке. Было заявлено, что эти потери представляют собой истинный уровень атрофии скелетной мышечной ткани, а не изменения, связанные со сдвигами жидкости. [14] Никакого восстановления не было заметно через 7 дней после приземления (данные не показаны). Это открытие указывает на то, что потери были вызваны не сдвигами жидкости, но задержка в восстановлении после этих довольно коротких полетов противоречит тому, что наблюдалось и документировалось во время программы полетов Skylab гораздо большей продолжительности, хотя и менее сложными методами во время Skylab.
Программа Space Shuttle и, в частности, EDOMP предоставили большой объем знаний о влиянии космического полета на физиологию человека и, в частности, на изменения в массе, силе и функции скелетных мышц. И снова были задокументированы потери массы, силы и выносливости скелетных мышц, в некоторых случаях несмотря на контрмеры упражнений. Но некоторые результаты были обнадеживающими, в частности, указания на то, что упражнения в полете действительно оказывают положительный эффект в противодействии потерям мышечной силы, по крайней мере, в ногах (см. таблицу 6-1 и рисунок 6-6), как и предсказывалось по результатам 84-дневной миссии Skylab 4, когда использовались различные режимы упражнений, включая уникальное устройство «беговая дорожка» (см. рисунок 6-4). Эта необычная беговая дорожка обеспечивала нагрузку достаточной величины для ног в манере, приближающейся к упражнениям с сопротивлением. Однако данные, полученные в результате исследований объема МРТ, указывают на то, что не все члены экипажа, несмотря на использование различных контрмер упражнений, избегают потери мышечной массы, которая была зафиксирована на протяжении большей части истории американских космических полетов с момента проекта «Меркурий». Это дополнительное исследование необходимо для продолжения разработки контрмер и оборудования, которые в конечном итоге обеспечат успешное решение для всех космических путешественников.
В течение семи полетов NASA-Mir семь американских астронавтов тренировались и летали совместно с 12 российскими космонавтами в течение общего периода 977 дней (среднее пребывание составило 140 дней) космического полета, который имел место в период с марта 1995 года по июнь 1998 года. Основным вкладом совместных усилий США и России на космической станции «Мир», имеющим отношение к текущей теме риска, было первое использование МРТ для исследования изменений объема скелетных мышц астронавтов и космонавтов, подвергшихся длительному космическому полету. Это началось с первой совместной миссии, Мир-18, и продолжалось до последней миссии Мир-25. Данные показали, что потеря объема мышц, особенно в ногах и спине, была больше, чем при кратковременном космическом полете, но не такой большой, как можно было бы предсказать по данным кратковременного полета. [19] Сравнение между потерями объема в выбранных группах мышц во время кратковременного космического полета на космическом челноке, длительного (119 дней) постельного режима и (115 дней) миссии «Шаттл-Мир» демонстрирует относительную временную динамику потерь (рисунок 6-9).
Существует хорошая корреляция между длительным постельным режимом и космическим полетом аналогичной продолжительности, за исключением того, что потери в мышцах спины намного меньше при постельном режиме. Это, вероятно, отражает использование этих мышц во время постельного режима для регулировки положения тела и снижения вероятности сосудистой компрессии и повреждения тканей. Во время космического полета мышцы спины, по-видимому, используются меньше, поскольку им не приходится поддерживать вертикальное тело против земной гравитации и они не используются с большой силой для позиционных корректировок тела, как в лежачем положении постельного режима.
Первая команда Международной космической станции (МКС) (Экспедиция 1) прибыла в октябре 2000 года; с тех пор было 15 дополнительных Инкрементов. Представленные здесь данные были собраны в течение первых 11 экспедиций МКС.
Трудно переоценить сложность и недостатки сбора научных данных из лаборатории, находящейся на орбите на высоте более 300 миль над Землей и совершающей 18 оборотов в день со скоростью более 17 000 миль в час с прерывистой голосовой и информационной связью, в сочетании с ограничениями по взлетной массе, времени экипажа и бортовой логистике.
Другая проблема заключалась в оборудовании для упражнений, которое было построено и запущено, но не соответствовало научным требованиям. (Научное требование к устройству для упражнений с сопротивлением [RED] состояло в том, чтобы обеспечивать нагрузку, эквивалентную 600 фунтам, но временное устройство для упражнений с сопротивлением (iRED) обеспечивает только половину этого количества. Наземные исследования показали, что оно действительно производит положительный тренировочный эффект, аналогичный эквивалентным свободным весам при использовании в высокоинтенсивной программе [22] , но оно, скорее всего, не обеспечит достаточной нагрузки в условиях невесомости для предотвращения потери мышечной и костной ткани, как было определено в исследованиях параболического полета [23] ). Другими проблемами были отказ в то или иное время каждой части бортового оборудования для упражнений с уменьшением его использования в другое время, а также другие ограничения, налагаемые из-за передачи сил на космическую раму, что затрудняло сеансы упражнений в полете. Фактически, в течение первых одиннадцати экспедиций МКС, только в течение 2 коротких периодов во время экспедиций 3 и 4 все три американских бортовых тренажера (велосипедный эгометр с системой виброизоляции [CEVIS], беговая дорожка с системой виброизоляции и iRED) были способны использоваться в номинальных условиях (рисунок 6-10). Почти постоянно неоптимальная доступность тренажеров, вероятно, снизила поддержание физической формы экипажа.
Несмотря на эти недостатки, данные о массе мышечной ткани [24], собранные с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии (DEXA) до и после полета, выгодно отличаются от данных NASAMir, а общие потери массы тела и ног на самом деле меньше, чем наблюдалось во время NASA-Mir или во время трех отдельных исследований постельного режима аналогичной продолжительности в диапазоне 20–170 дней (рисунок 6-11). Однако новости не совсем хорошие, поскольку потери силы разгибателей и сгибателей колена у членов экипажа длительных полетов после полетов на борту станции «Мир» и МКС [24] составили ~23% и ~25% соответственно (рисунок 6-12), что указывает на то, что потери силы в группах мышц четырехглавой мышцы и подколенного сухожилия были значительными и схожими для миссий NASA-Mir и ранних миссий МКС, несмотря на кажущееся немного повышенное сохранение мышечной массы (мышечной ткани) в ногах членов экипажа МКС по сравнению с членами экипажа в миссиях NASA-Mir (также рисунок 6-11). Эти почти эквивалентные потери произошли, несмотря на то, что iRED присутствовал на МКС. К сожалению, данные МРТ, собранные Фиттсом и коллегами для оценки объемов скелетных мышц у членов экипажа МКС, пока недоступны для сравнения с данными НАСА-Мир. Что касается выносливости, следующее сравнение (рисунок 6-13) показывает тенденцию к улучшению поддержания выносливости мышц на МКС по сравнению с НАСА-Мир, хотя потеря выносливости на МКС была больше, чем зафиксированная во время краткосрочных миссий Space Shuttle (для МКС n = 2).
Члены экипажа МКС под наблюдением своих хирургов принимают участие в программе послеполетных упражнений, реализуемой сертифицированными тренерами, входящими в группу Astronaut Strength, Conditioning and Rehabilitation (ASCR) в Космическом центре Джонсона. Часть этой программы включает в себя индивидуальное тестирование физической подготовки. Результаты этих «функциональных» тестов, которые состоят из шести упражнений, показывают, что члены экипажа возвращаются с меньшими физическими возможностями, чем при запуске, но что большинство ухудшений обращаются вспять к 30-му дню послеполетного периода из-за наземных упражнений, которые члены экипажа выполняют в дни после возвращения на Землю (рисунки 14 и 15).
В этом разделе были включены и обсуждены только исторические моменты некоторых весьма значимых исследований скелетных мышц. Полная обработка всех данных заняла бы несколько томов. Однако из этого краткого исторического обзора можно увидеть, как первоначальные признаки потери функции скелетных мышц привели к попыткам предоставить контрмеры в виде упражнений. Такие контрмеры использовались во время космических полетов, члены экипажа проходили тестирование по возвращении, а режимы упражнений и оборудование были изменены для использования в будущих миссиях. В последующих разделах рассматриваются исследования пилотируемых космических полетов и наземных аналогов, а также экспериментальные исследования на животных, которые вносят вклад в доказательную базу изменений в форме и функции скелетных мышц, которые происходят при мышечной разгрузке, связанной с условиями микрогравитации. Именно на этой базе знаний будут основываться будущие оперативные контрмеры и исследования фундаментальных изменений в физиологии мышц.
Реакции человеческого организма на воздействие микрогравитации во время космического полета включают адаптации на многочисленных уровнях. Считается, что адаптация скелетных мышц к микрогравитации, которая влияет как на мышечную массу, так и на функцию, включает структурные изменения в нейронных, а также миофибриллярных компонентах скелетных мышц. Общепризнано, что мышцы, участвующие в поддержании вертикального положения в условиях земной гравитации (антигравитационные мышцы), наиболее восприимчивы к адаптациям, вызванным космическим полетом. Эта восприимчивость может отражать почти непрерывные уровни самогенерируемой (активной) и генерируемой окружающей средой (реактивной) механической нагрузки, которой эти мышцы подвергаются в условиях нормальной земной гравитации. Таким образом, эффекты, связанные с уменьшением уровня механической нагрузки, которая происходит во время воздействия микрогравитации, логически будут наиболее остро отражаться в этих мышцах. Изменения на структурном уровне в скелетных мышцах после космического полета параллельны изменениям, вызванным космическим полетом, на функциональном уровне, таким как снижение мышечной силы и повышенная мышечная утомляемость. [10] [25] [26] Это резюме касается почти исключительно тех исследований, в которых изучались эффекты механической разгрузки на антигравитационные мышцы и последующее ремоделирование тканей на структурном и биохимическом уровнях. Кроме того, изучается относительный успех различных контрмер.
Уменьшение размера и функции скелетных мышц было зарегистрировано с тех пор, как люди впервые начали исследовать космос. [9] [27] Космические полеты приводят к потере мышечной массы тела , что определяется измерениями состава тела. [19] [28] Выделение аминокислот и азота с мочой , оба косвенных показателя катаболизма мышечной массы тела, повышаются как во время коротких [13] , так и длительных [12] [29] космических полетов. Прямое измерение синтеза белка во время космического полета с использованием включения 15N-глицина в качестве маркера выявило увеличение скорости синтеза белка во всем теле. Эти результаты показали, что значительное уменьшение мышечной массы тела, наблюдаемое после космического полета, должно быть связано со значительным увеличением скорости распада белка [13] , а не с ингибированием синтеза белка. Уменьшение окружности мышц нижних конечностей и расчетных объемов мышц было обнаружено у астронавтов Apollo [9] и Spacelab [10] . У космонавтов также было зарегистрировано снижение мышечной силы, окружности и тонуса. [29] [30] [31] [32] Совсем недавно эти результаты были подтверждены прямыми измерениями объема (с помощью магнитно-резонансной томографии [МРТ] астронавтов на борту космического корабля «Шаттл» [20] [33] , а также российских космонавтов и американских астронавтов после службы на космической станции «Мир». [19]
Изменения в сухой массе тела и объеме мышц сопровождаются сопутствующим уменьшением площади поперечного сечения миофибрилл (CSA). На сегодняшний день образцы биопсии мышц до и после полета были получены только у нескольких членов экипажа. В исследованиях в США биопсии мышц были получены до и после полета из m. vastus lateralis 8 астронавтов после 5- и 11-дневных миссий. [15] [34] [35] Примечательно, что послеполетный отбор образцов мышц проводился в течение 2–3 часов после приземления, что минимизировало влияние реамбулации на мышцу. Анализ образцов биопсии мышц с использованием различных морфологических, гистохимических и биохимических методов показал, что CSA миофибрилл значительно уменьшилась после космического полета; что атрофия была наибольшей в миофибриллах типа IIB, за которыми следовали миофибриллы типа IIA и затем миофибриллы типа I; что экспрессия белка тяжелой цепи миозина II типа (MHC) была значительно увеличена, с очевидным уменьшением количества экспрессируемого белка MHC I типа; и что количество миоядер на мм длины миофибрилл было значительно уменьшено в миофибриллах II типа после 11 дней космического полета. В отличие от этих результатов, анализ образцов игольчатой биопсии космонавтов, проведенный Институтом биомедицинских проблем после 76- и 180-дневных полетов, показал большую степень индивидуальных различий в степени атрофии миофибрилл, при этом уменьшение CSA миофибрилл составило от 4% до 20%. Это изменение было приписано различиям в соблюдении контрмер упражнений отдельными космонавтами во время полетов. [36]
Более поздние исследования биопсии мышц показали, что, несмотря на постоянное уменьшение площади поперечного сечения миофибрилл в камбаловидной и икроножной мышцах после космического полета, [37] [38] [39] экспрессия MHC, по-видимому, не меняется, как это было ранее описано Чжоу и др. [15]. Это несоответствие может отражать эффекты протоколов контрмер, выполняемых астронавтами во время более позднего полета, и обследование мышц, отличных от тех, которые изучались в более раннем полете (икроножная и камбаловидная мышцы по сравнению с латеральной широкой мышцей бедра).
Снижение аэробной способности членов экипажа после космического полета в сочетании со снижением окислительной способности мышц указывает на то, что сосудистое снабжение скелетных мышц также может быть затронуто космическим полетом. Однако в настоящее время не наблюдается последовательной связи между степенью мышечной атрофии (измеренной с помощью МРТ или определения CSA миофибрилл после биопсии мышц) и зарегистрированными изменениями мышечной силы и функции, хотя обычно потеря мышечной силы превышает потерю мышечного объема. Причины этих противоречащих интуиции результатов неясны и, вероятно, останутся таковыми до тех пор, пока не появятся ресурсы для долгосрочного исследования на орбите атрофической реакции скелетных мышц на космический полет.
В дополнение к влиянию космического полета на миофибриллярный компонент скелетных мышц, нельзя недооценивать роль нейронных компонентов атрофии скелетных мышц. Функциональное нарушение нейронного контроля на нервно-мышечном уровне, [32] [40] [41] [42] , которое, по-видимому, сопровождается снижением общей электрической активности мышцы после космического полета, [43] повышает вероятность того, что могут быть нарушены нейронные факторы, которые играют роль в росте или поддержании скелетных мышц. Также была выдвинута гипотеза о том, что микрогравитация вызывает фундаментальное изменение в контроле движений. [44] Исследования, проведенные в JSC Лабораторией физиологии упражнений, показали, что сила двуногих мышц снижается значительно больше, чем это можно объяснить только потерей мышечной массы. Кроме того, потеря взрывной силы ног была связана со значительным снижением электромиографической ( ЭМГ) активности m. rectus femoris, m. vastus lateralis и m. vastus medialis. [45] Эти исследователи пришли к выводу, что микрогравитация вызвала базовое изменение в контроле и координации движений, так что двигательная активация мышц-разгибателей была снижена. Аналогичные наблюдения были сделаны после длительных космических полетов на «Мире» и МКС.
Существуют доказательства того, что стратегии упражнений эффективны для смягчения потери мышечной силы при постельном режиме. Бамман и др. сохранили мышечную силу бедра и голени до постельного режима у субъектов, которые выполняли резистивные упражнения с нагрузками, эквивалентными 80–85% их силы до постельного режима (тест на максимальный повтор). [46] [47] Защита мышечного объема происходила за счет поддержания синтеза белка, который также, вероятно, влиял на мышечную силу. [48] Аналогичным образом, Акима и др. смогли сохранить изометрический пиковый крутящий момент у субъектов, которые выполняли ежедневные максимальные изометрические сокращения разгибателей колена в течение 20 дней постельного режима. [49] Используя агрессивный протокол тренировки с резистивными упражнениями, Шакелфорд и др. сохранили изокинетическую мышечную силу и наблюдали существенное увеличение изотонической мышечной силы в течение 89 дней постельного режима [50] у тренирующихся субъектов. Используя резистивное устройство для упражнений с маховиком, Алкнер и Теш предотвратили потерю мышечной массы и силы в бедре и уменьшили потери в икрах. [51]
Сходство реакций скелетных мышц во время космического полета и постельного режима было элегантно продемонстрировано Траппом и коллегами [39] в объединенном 17-дневном исследовании космического полета 4 членов экипажа и 17-дневном исследовании постельного режима 8 испытуемых. У всех этих испытуемых была завершена оценка размера мышечных волокон, состава и сократительных характеристик in vivo икроножной мышцы. Протоколы и сроки для двух исследований были идентичны, что позволило провести прямые сравнения между космическим полетом и исследованием постельного режима эквивалентной продолжительности. Сила икроножных мышц измерялась до и на 2, 8 и 12 дни космического полета и постельного режима, а также на 2 и 8 дни после космического полета и постельного режима в двух исследованиях. Биопсии мышц были получены до и в течение 3 часов после космического полета (m. gastrocnemius и m. soleus) и постельного режима (m. soleus) непосредственно перед перезагрузкой. После 17 дней космического полета или постельного режима не произошло никаких существенных измеримых изменений в максимальной изометрической силе икроножных мышц, силовых скоростных характеристиках, составе миофибрилл или объеме в исследуемых икроножных мышцах. Поскольку потеря силы скелетных мышц является ожидаемым результатом как в космическом полете, так и в постельном режиме, исследователи пришли к выводу, что протокол тестирования, используемый в обоих исследованиях, должен был обеспечивать достаточное количество упражнений с отягощениями для предотвращения потери мышечной силы и изменений в морфологии.
Некоторые общие выводы, которые можно сделать из данных, собранных в ходе исследований астронавтов/космонавтов, следующие. Во-первых, потеря мышечной массы наиболее распространена в антигравитационных мышцах, таких как камбаловидная мышца; во-вторых, атрофическая реакция на кратковременный космический полет, по-видимому, не является специфичной для типа миофибрилл; и, в-третьих, экспрессия изоформ тяжелой цепи миозина (MHC), по-видимому, не переходит от MHC типа I к MHC типа II во время коротких (< 18 дней) космических полетов.
Несколько наземных парадигм были использованы для имитации эффектов разгрузки микрогравитации на скелетные мышцы человека, включая полный горизонтальный или наклон головы вниз на 6° постельный режим , сухое погружение и одностороннюю разгрузку верхних и нижних конечностей с иммобилизацией суставов или без нее. В целом, реакции скелетных мышц на разгрузку были схожи во всех этих моделях. Хотя идеальной симуляции деятельности экипажа и среды микрогравитации не может быть достигнуто адекватно, Адамс и коллеги предположили, что постельный режим является подходящей моделью космического полета для изучения физиологических адаптаций скелетных мышц и мер противодействия. [1]
Разгрузка постельного режима приводит к значительной потере азота в организме и мышечной массы. [21] [52] [53] Уменьшение размера или объема амбулаторных мышц объясняет большую часть снижения мышечной массы после постельного режима. [21] [54] Это уменьшение коррелирует со значительным снижением синтеза мышечного белка. [48] [52] Протоколы горизонтального и наклонного на 6° постельного режима различной продолжительности (7 дней, 14 дней, 30 дней, 5 недель или 17 недель) привели к значительному снижению объема мышц нижних конечностей, измеренному с помощью МРТ, от 30% потери в мышцах-разгибателях голеностопного сустава [21] до 12% потери в подошвенных сгибателях (икроножной и камбаловидной). [55] Уменьшение объема мышц после постельного режима сопровождалось уменьшением мышечной силы и выносливости, о чем свидетельствует значительное уменьшение крутящего момента, зависящего от угла, [56] изокинетической силы мышц, [21] [57] и утомляемости. [58] Аналогичные потери объема мышц, сопровождающиеся уменьшением мышечной силы и выносливости, наблюдались после одностороннего подвешивания нижних конечностей. [57] [59] [60] Сухое погружение, парадигма разгрузки всего тела с дополнительным преимуществом имитации сниженного проприоцептивного входа, встречающегося во время космического полета, также приводит к уменьшению объема мышц, силы, выносливости, электрической активности и тонуса. [30] [61] [62] [63] [64] [65] [66]
На структурном уровне потеря мышечного объема в этих моделях коррелирует со значительным уменьшением CSA как миофибрилл типа I, так и миофибрилл типа II. [46] [60] [67] [68] [69] В целом, миофибриллы типа II, по-видимому, более склонны к атрофии, чем миофибриллы типа I во время краткосрочной разгрузки, при этом не наблюдается значительного сдвига типа миофибрилл, [46] [47] [67] хотя сообщалось об изменениях в общей экспрессии изоформ мышечного белка MHC. [70] Однако длительный постельный режим (более 80 дней) значительно изменяет количество гибридных волокон MHC, наблюдаемых в камбаловидной мышце. [71] Иммобилизация с помощью гипсования конечности, по-видимому, не снижает относительные пропорции мышечно-специфических белков, таких как карбоангидраза II и миоглобин, по сравнению с тем, что предсказывает общее снижение синтеза мышечного белка. [72] Напротив, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что специфическая активность мышечных ферментов, участвующих в окислительном метаболизме, таких как пируватдегидрогеназа, снижается при иммобилизации гипсом. [73] Аналогичное снижение активности цитратсинтазы, но не фосфофруктокиназы, было обнаружено в латеральной широкой мышце бедра, что указывает на значительное нарушение окислительной способности этой мышцы после одностороннего подвешивания конечности. [74] Различия, наблюдаемые между иммобилизацией гипсом и односторонним подвешиванием конечности или протоколами постельного режима, могут отражать, что первая является лучшей моделью мышечной атрофии, вызванной гипокинезией, а последние две являются лучшими моделями мышечной атрофии, вызванной мышечной гиподинамией. Последняя ситуация больше напоминает реальные условия, испытываемые членами экипажа во время космического полета, а именно снятие механической нагрузки без снижения подвижности конечности. Однако очевидно, что хотя наземные модели разгрузки полезны при изучении эффектов микрогравитации на скелетные мышцы, ни одна наземная модельная система не производит все физиологические адаптации в скелетных мышцах, наблюдаемые в результате космического полета. [1] В исследованиях аналогов человека отсутствуют уникальные операционные и психологические стрессоры, связанные с космическим полетом, которые усугубляют физиологические изменения, возникающие в результате мышечной разгрузки. [75]
Опять же, уменьшение объема мышц и поперечного сечения миофибрилл, наблюдаемое в этих наземных аналогах космического полета, приводит к изменениям в паттернах нейронной активации ненагруженных мышц, включая снижение максимальной электрически вызванной силы, [76] снижение максимальной интегрированной электромиографии [57] и дисфункцию нервно-мышечного соединения. [77] Конечно, такое снижение нейронного влечения в ненагруженных мышцах играет роль в атрофической реакции.
Как и в космическом полете, адаптация к разгрузке может наблюдаться после кратковременного постельного режима. Например, после 20 дней постельного режима объем четырехглавой мышцы уменьшился на 8%, подколенных сухожилий уменьшился на 10%, а подошвенных сгибателей сократился на 14%. [49] Во время более длительного, 89-дневного постельного режима, сообщалось о большем сокращении объема мышц четырехглавой мышцы (-15%), подколенных сухожилий (-13%), камбаловидной мышцы (-29%) и икроножной мышцы (-28%). [50] В ходе 90-дневного исследования постельного режима [78] наблюдалось снижение площади поперечного сечения икроножной мышцы на 26% ± 7. Эта скорость снижения согласуется с более ранними измерениями, в которых после 90 дней постельного режима у двух испытуемых было отмечено примерно 15%-ное снижение объема четырехглавой мышцы и подколенных сухожилий, измеренное с помощью МРТ-сканирования. [19] В этих исследованиях также было продемонстрировано снижение мышечной силы.
Бамман и коллеги наблюдали потери 18, 17 и 13% в концентрическом, эксцентрическом и изометрическом пиковом моменте сгибателей подошвы, соответственно, после 14 дней постельного режима, [46] а Акима и его коллеги наблюдали 16% снижение изометрического момента разгибателей колена после 20 дней постельного режима. [49] Хотя конкретно не сообщалось, субъекты в 89-дневном исследовании постельного режима [50] испытали значительное снижение изокинетического момента в нижней части тела, с наибольшими потерями в разгибателях колена (-35%). В этом исследовании также использовалось изотоническое тестирование (1ПМ), и наблюдались средние потери в диапазоне от -6 до -37%; снижение силы приводящих, отводящих мышц и силы жима ногами составило порядка ~25-30%. [50] В более раннем 90-дневном исследовании постельного режима Леблан и его коллеги наблюдали потерю 31% силы разгибания колена и 15% силы сгибания колена. [21] В немногих исследованиях сообщалось об изменениях в мышцах брюшной полости/приводящих мышцах или сгибателях/разгибателях бедра. Шакелфорд и др. сообщили, что изотоническая сила снизилась примерно на 25% в приводящих мышцах, но только 6%-ное снижение в сгибателях бедра было продемонстрировано после 17 недель постельного режима. [50] После 55 дней постельного режима Берг и др. сообщили, что произошло 22%-ное снижение изометрического разгибания бедра, хотя мышцы-разгибатели в ягодичной области уменьшились в объеме всего на 2%. [79] Авторы не сообщили об объяснении этого несоответствия между долей сниженной силы по отношению к потере массы, а также заявили, что ни одно из предыдущих исследований в литературе не проводило эти одновременные измерения силы/объема в мускулатуре бедра.
Некоторые общие выводы, которые можно сделать из приведенных выше исследований на людях, следующие. Во-первых, модели наземной разгрузки вызывают избирательную атрофию в мышцах нижних конечностей, особенно в антигравитационных мышцах; во-вторых, эта реакция сильнее в мышцах-разгибателях, чем в мышцах-сгибателях; в-третьих, атрофия мышц происходит быстро (в течение 7–14 дней) в ответ на разгрузку; в-четвертых, потеря мышечной массы сопровождается снижением силы и выносливости мышц, но потери силы обычно больше, чем потери объема; в-пятых, если атрофия специфична для типа миофибрилл в этих мышцах, то это, по-видимому, миофибриллы типа II; и, в-шестых, наземная разгрузка, по-видимому, не вызывает сдвига от медленного к быстрому в абсолютных характеристиках миофибрилл, но изменяет экспрессию изоформ MHC в мышцах человека, так что наблюдается увеличение гибридных миофибрилл MHC, что приводит к более быстрому фенотипу.
Существуют и другие результаты исследований, которые имеют косвенное отношение к этому описанию риска и должны оставаться связанными с ним. Физическая бездеятельность и мышечная разгрузка, происходящие в связи с космическим полетом, могут привести к снижению мышечной массы, что, в свою очередь, может быть связано с повышенной восприимчивостью к резистентности к инсулину (непереносимость глюкозы). Хотя эта связь достаточно четко задокументирована в исследованиях постельного режима, для космического полета она еще не подтверждена. Кроме того, основной мерой противодействия атрофии мышц являются упражнения, и следует понимать, что у членов экипажа, хронически подвергающихся воздействию микрогравитационной среды, может развиться нарушение регуляции температуры тела во время отдыха и упражнений, что может привести к тепловому напряжению и травмам. Они более подробно обсуждаются в следующих параграфах.
После кратковременных космических полетов у советских космонавтов наблюдался повышенный уровень инсулина в сыворотке крови, который сохранялся до 7 дней после приземления. [80] [81] В первых 28 полетах американских космических челноков (продолжительностью 2–11 дней) уровень инсулина в сыворотке крови (n = 129) был повышен на 55% в день приземления по сравнению с уровнем до полета. [82] Российские исследователи в области космической биологии сообщили о двукратном или большем повышении уровня инсулина у трех космонавтов в течение 1 дня после их возвращения из 237-дневного полета. [83] Связанное с этим обнаружение повышений как инсулина, так и глюкозы в крови (12% в день приземления по сравнению с предполетными уровнями у 129 членов экипажа космических челноков в полетах продолжительностью 2–11 дней) может указывать на приобретенную сниженную чувствительность тканей к инсулину, связанную с космическим полетом. Наземные исследования постельного режима [84] [85], имитирующие невесомость у людей, показали повышенную реакцию инсулина на тесты на толерантность к глюкозе. В таких исследованиях уровень инсулина в плазме увеличивался в четыре раза по сравнению с контрольными субъектами, а уровень глюкозы в крови превышал таковой у контрольных субъектов через 2 часа после нагрузки глюкозой. В хорошо спланированном 7-дневном исследовании постельного режима было изучено действие инсулина как на скорость усвоения глюкозы всем телом, так и на скорость усвоения глюкозы ногами. Был сделан вывод, что неактивные мышцы у отдохнувших в постели субъектов были менее чувствительны к циркулирующему инсулину. Однако в исследовании четырех астронавтов Space Shuttle, проведенном теми же исследователями [86] , в котором тесты на толерантность к глюкозе проводились за 15 дней до запуска, на 7-й день полета и на 2-й и 15-й дни после полета, наблюдалось увеличение концентрации инсулина, глюкозы и C-пептида в образцах во время полета, но изменения существенно не отличались от значений до и после полета. Исследователи пришли к выводу, что 7-дневный космический полет не подтвердил предположение о том, что воздействие микрогравитации приводит к нарушению толерантности к глюкозе. Однако кратковременное (7 дней) воздействие микрогравитации могло оказаться недостаточным по продолжительности, чтобы вызвать статистически значимые изменения, и поэтому для подтверждения этих результатов необходимы дополнительные исследования с участием членов экипажа, участвовавших в длительных миссиях.
Расход энергии человеком приводит к образованию тепла. Тепло тела, вырабатываемое при обычных действиях, и особенно при физических упражнениях, запускает гомеостатические регуляторные механизмы с целью поддержания температуры ядра тела в пределах относительно узкого, безопасного физиологического диапазона посредством вазорегуляции и потоотделения. Невесомость в условиях космического полета может ухудшить теплоотдачу за счет снижения испарительного и кондуктивного теплообмена. Микрогравитация и космический полет могут нарушить терморегуляторные механизмы организма, изменяя эффективность работы, скорость метаболизма или циркадные ритмы выработки тепла. Кроме того, люди, совершающие полеты в космос, часто не получают достаточного количества жидкости, имеют на 10–15% меньше объема внутрисосудистой жидкости (плазмы) и могут потерять как предполетный уровень мышечной и сердечно-сосудистой подготовки, так и свои терморегуляторные возможности. В результате они могут стать менее акклиматизированными к теплу или могут приобрести измененную тепловую чувствительность. [87]
Изменения в терморегуляции в связи с космическим полетом могут существенно повлиять на различные виды деятельности, связанные с космическим полетом, включая упражнения в качестве контрмеры против атрофии мышц, сердечной недостаточности и потери костной массы; внекорабельную деятельность (EVA); и посадку и выход из корабля. Костюмы для выхода в открытый космос и скафандры для запуска и входа или усовершенствованные спасательные костюмы для экипажа (ACES), которые носят члены экипажа МКС и шаттла, разработаны для обеспечения непроницаемого барьера между владельцем и внешней средой. Чтобы компенсировать отсутствие теплообмена через ткани этих костюмов, костюм для выхода в открытый космос обеспечивает как жидкостное (проводящее), так и воздушное (конвективное) охлаждение, в то время как под ACES надевается одежда с жидкостным охлаждением в дополнение к шланговому соединению с принудительной подачей воздуха в кабину орбитального корабля. Таким образом, члены экипажа с измененными возможностями терморегуляции подвергаются еще большему риску в случае отказа систем охлаждения этих костюмов. [88] Проявления измененной терморегуляции включают в себя увеличение частоты сердечных сокращений и температуры тела во время физических упражнений, снижение работоспособности и выносливости, снижение ортостатической толерантности после полета, снижение когнитивных способностей и задержку восстановления физической работоспособности и выносливости после полета. [89]
Терморегуляция изучалась в связи как с космическим полетом [89] [90] так и с постелью с наклоном головы вниз на 6°. [90] [91] [92] На сегодняшний день не было прямых измерений теплового баланса во время сеансов упражнений в полете. В единственном исследовании космического полета субмаксимальные упражнения и терморегуляторные реакции были зарегистрированы перед полетом и через 5 дней после приземления у двух членов экипажа, которые завершили 115-дневную миссию. [89] Нормальная частота сердечных сокращений наблюдалась у обоих членов экипажа во время упражнений лежа на спине в течение 20 минут каждый при 20% и 65% от VO2max. Однако во время послеполетного (через пять дней после приземления) тестирования упражнения были добровольно прекращены всего через 8–9 минут упражнений лежа на спине при уровне 65% от VO2max для двух членов экипажа, когда они оба испытывали трудности с поддержанием частоты вращения педалей и жаловались на усталость ног, а их частота сердечных сокращений превышала самые высокие зарегистрированные предполетные уровни. У обоих членов экипажа наблюдалось более быстрое повышение температуры тела во время более короткого сеанса послеполетных упражнений, чем во время предполетного сеанса; был сделан вывод, что выработка тепла не изменилась, но что ухудшение рассеивания тепла из-за измененных вазодилататорных и потоотделительных реакций было причиной более высокой скорости повышения температуры тела.
Адекватное потребление энергии (калорий) является необходимым требованием для людей, живущих и работающих в космосе, и этому требованию уделяется много внимания. Меньше усилий было потрачено на понимание того, как тепло, вырабатываемое при расходе энергии, обрабатывается людьми, чьи физиологические реакции на тепло могут быть изменены в уникальной физической среде космического полета. Такие исследования следует рассматривать как имеющие более высокий уровень приоритета для будущих космических миссий с участием человека. Недавно примененные модели [88] могут быть полезны для лучшего понимания величины этого сопутствующего риска.
В этом разделе обобщены исследования, которые были проведены на животных (таких как грызуны и нечеловеческие приматы), которые были подвергнуты либо космическому полету, либо (в случае грызунов) общепринятому наземному аналогу подвешивания задних конечностей (HS) для выяснения влияния состояний разгрузки на свойства мышечной массы, силы и выносливости. Представленные здесь результаты в подавляющем большинстве подтверждают совокупность доказательств, которые были представлены в отношении людей в предыдущих разделах этого отчета. Важно, что благодаря использованию большего количества клеточных и молекулярных анализов было получено более глубокое понимание основных механизмов, связанных с этими изменениями в структуре и функции мышц. Поскольку большинство доказательств, касающихся влияния космического полета на скелетные мышцы млекопитающих, были получены в ходе исследований на грызунах , представленная здесь информация в основном сосредоточена на модели грызунов. Важно отметить, что структура и функция скелетных мышц грызунов практически идентичны таковым у скелетных мышц человека. Например, мышцы грызунов состоят из того же общего профиля типа волокон и чувствительны к тем же сигналам окружающей среды (механическим, гормональным, метаболическим), которые наблюдаются для мышц человека. Таким образом, информация, обобщенная ниже, подтверждает достоверность базы данных, полученной от людей. Однако важно отметить, что одним из основных преимуществ модели грызунов является то, что адаптивные изменения, которые происходят у обоих видов, разворачиваются в гораздо более короткие сроки у грызунов, чем у людей (часы-дни по сравнению с днями-неделями), что позволяет прогнозировать долгосрочные изменения в скелетных мышцах человека на основе более коротких абсолютных сроков исследований, проведенных на грызунах. Еще одним важным соображением в контексте исследований на животных во время космического полета является то, что можно провести простой эксперимент, в котором нет необходимости обеспечивать какое-либо вмешательство контрмер, как это требуется для людей, и тем самым можно избежать введения искажающей переменной при установлении истинных эффектов космического полета на широкий спектр физиологических переменных. Кроме того, учитывая замечательное согласие в количественном и качественном характере результатов, наблюдаемых в исследованиях космических полетов, по сравнению с результатами, полученными в наземных исследованиях HS, мы решили объединить и интегрировать значительные части данных, которые были собраны за последние 25 лет. Эта база данных грызунов в исследованиях космических наук о жизни включает 14 летных экспериментов, 8 из которых спонсировались Российской космической программой, а 6 — миссиями NASA Space Life Sciences (SLS) и Space Transportation System (STS). [93]Эти летные эксперименты дополняются многочисленными наземными исследованиями, которые в совокупности сосредоточены на темах, описанных ниже. Самое важное, что все данные, представленные в этом резюме, получены из когорт животных, в которых контрольные животные изучались из синхронной виварной группы того же возраста, штамма и пола, а анализы проводились в то же время, что и анализы экспериментальных групп. Предоставленная информация полностью основана на рецензируемых экспериментах, как подробно описано в предоставленной библиографии.
Хотя зарегистрированные наблюдения во время космических полетов менее обширны у грызунов (из-за меньшего количества полетных миссий с возможностью наблюдения за ними астронавтами или специалистами по полезной нагрузке), имеющиеся данные свидетельствуют о том, что грызуны меньше полагаются на задние конечности для выполнения большинства моделей движений (как в случае с людьми). Во время космического полета их лодыжки, по-видимому, принимают подошвенное согнутое положение, что может уменьшить пассивное напряжение (силу), налагаемое на группу трехглавых мышц голени, главным компонентом которой является антигравитационная медленно сокращающаяся камбаловидная мышца. [94] Подобная поза наблюдалась в наземном аналоге HS. Считается, что эта поза влияет на остаточное напряжение, приложенное к этой группе мышц при отсутствии нормального состояния нагрузки, то есть группа мышц-сгибателей подошвы голеностопного сустава становится по-настоящему разгруженной. Хотя электромиографические исследования на взрослых грызунах не проводились во время космических полетов, исследования, проведенные на грызунах во время хронического HS, показывают, что происходит только временное снижение электрической активности мышц-сгибателей подошвы голеностопного сустава (камбаловидной и медиальной икроножной). [95] Эта модель активности согласуется с положением мышцы и поддержанием мышечной массы в течение 28-дневного периода эксперимента. То есть активность ЭМГ хорошо поддерживалась, в то время как продолжающаяся атрофия сохранялась. Эти результаты подтверждают представление о том, что именно механическая активность, а не электрическая активность, налагаемая на мышцу, имеет важное значение для поддержания физиологического гомеостаза.
Когда животные возвращаются из космического полета даже короткой продолжительности (дни), их основные модели активности изменяются. Центр тяжести у крыс находится намного ниже обычного. Они больше не поддерживают вес своего тела и начинают движение с подушечек стоп, а голеностопный сустав принимает преувеличенно дорсифлексионное положение. [94] Движение для большинства произвольных действий намного медленнее и более осознанное (животные покрывают меньшие расстояния за единицу времени), и животные проводят значительно меньше времени в двуногих позах. [94] Кроме того, грызуны в большей степени используют свои хвосты для базовой поддержки, основываясь на наблюдениях исследователей. Таким образом, двигательные навыки грызунов и основные локомоторные возможности имеют меньшую точность и емкость во время поддержания позы и передвижения на ранних стадиях восстановления; однако к 9 дням после полета свойства активности возвращаются к тем, которые наблюдаются в нормальных условиях.
Накоплен значительный объем информации, охватывающий большое количество экспериментов по космическим полетам и HS, которые охватывают временные рамки от ~4 до 22 дней для космического полета и от 1 до 56 дней для HS. Эти эксперименты в основном были сосредоточены на мышцах-разгибателях, широко используемых для постуральной поддержки и локомоторной активности. Обзор Роя, Болдуина и Эджертона представляет собой один из наиболее полных обзоров по грызунам в космической среде. [96] Были опубликованы дополнительные обзоры по этой теме. [96] [97] [98] [99] [100] [101] Коллективные наблюдения ясно показывают, что эти типы мышц претерпевают значительное снижение мышечной массы (мышечного веса) [94] [96] [100] [102] [ 103] [ 104 ] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [ 112 ] [113] [114] наряду с сопутствующей потерей общего белка и миофибриллярного (фракция, которая состоит из сократительного аппарата структурных белков) содержания белка в целевых мышцах. [97] [103] [115] [116] В некоторых экспериментах сообщалось, что миофибриллярная фракция может быть деградирована в большей степени, чем другие мышечные фракции. [103] Общая картина показывает, что быстрая потеря мышечной массы и чистого общего и миофибриллярного содержания белка (концентрация (мг/г X мышечный вес) происходит в течение первых 7–10 дней разгрузки, а затем следует более постепенная потеря этих компонентов. [93] [101] Конечный результат заключается в том, что от 25 до 46% мышечной массы может быть потеряно в антигравитационных мышцах нижних конечностей, таких как камбаловидная мышца (Sol; икроножная мышца) и промежуточная широкая мышца бедра (VI; глубокая слоистая четырехглавая мышца), которые в основном состоят из медленных миофибрилл типа I, содержащих медленный белок тяжелой цепи миозина (MHC). MHC является наиболее распространенным белком, экспрессируемым в поперечно-полосатых мышцах; и этот структурный / регуляторный белок служит в качестве двигательного белка, который регулирует, в синергии со своим сопутствующим белком актином , процесс сокращения, который вырабатывает силу, работу и генерацию мощности, необходимые для того, чтобы мышечные группы осуществляли как движение, так и стабилизацию виды активности (поза). Также важно отметить, что быстро сокращающиеся синергические мышцы (экспрессирующие быстрые изоформы MHC) также являются мишенью, но эти мышцы и их волокна, по-видимому, не так чувствительны к разгрузочному стимулу, как более медленные типы мышц. По сравнению с медленными и быстрыми типами мышц атрофиясоответствующих сгибателей суставов , например, передней большеберцовой мышцы и длинного разгибателя пальцев на ноге, заметно меньше. [96]
Гистохимический и иммуногистохимический анализы на уровне отдельных волокон ясно показывают, что атрофический процесс, наблюдаемый на макроуровне, обусловлен уменьшением диаметра пораженных миофибрилл, из которых состоят отдельные мышцы. Эти наблюдения показывают, что медленный тип волокон более чувствителен, чем более быстрые типы волокон, что согласуется с определениями макромышечной массы. [96] [112] [116] [117] Как правило, независимо от мышцы, более крупные волокна , будь то быстрые или медленные, более чувствительны к разгрузочному стимулу, чем их более мелкие аналоги. [96]
Процесс атрофии, отмеченный выше, сопровождается важными наблюдениями, что многие (но не все) медленные волокна в мышцах, в первую очередь антигравитационного типа (таких как Soleus и VI), также индуцируются для экспрессии быстрых изоформ миозина. [104] [105] [116] [118] [119] [120] Эта трансформация в значительной степени проявляется в экспрессии гибридных волокон, в которых как медленный MHC, так и быстрый MHC типа IIx или быстрого типа IIa становятся одновременно коэкспрессируемыми. [105] [112] Эти наблюдения предполагают, что медленный MHC нацелен на деградацию, о чем свидетельствует чистая потеря медленного MHC в атрофирующейся мышце (волокнах), [93] [103] в то время как в то же время, согласно анализам премРНК и мРНК , происходит повышение регуляции более быстрых генов MHC посредством транскрипционных и/или претрансляционных процессов. [116] [121] [122] Более поздние исследования по этой теме ясно показывают, что тип IIx MHC, который является более быстрой изоформой, чем тип IIa, более обильно выражен. Из этих наблюдений очевидно, что миофибриллярная фракция, которая является ключевым компонентом мышцы, нацелена на чистую деградацию (как отмечено выше) по двум причинам:
Дальнейшее понимание дает наблюдение, что состояние разгрузки космического полета и HS также увеличивает экспрессию быстрых кальциевых насосов, управляемых АТФазой саркоплазматического ретикулума II типа (SR) (SERCA II), при этом подавляя более медленный кальциевый насос SERCA I типа. [123] Поскольку циклирование кальция используется для регуляции активации и расслабления волокон, компонент SR мышечного волокна контролирует синхронность процессов сокращения-расслабления. Поскольку циклирование кальция и циклирование поперечных мостиков являются двумя основными системами, которые отвечают за подавляющее большинство энергии, расходуемой во время сокращения мышц для поддержки движения, когда это свойство мышцы переключается на более быструю систему, мышца может функционировать более эффективно в ненагруженной среде. Однако, когда мышца сталкивается со средой с высоким гравитационным стимулом, более быстрые свойства по своей природе менее экономичны в противодействии гравитации, и, таким образом, мышечные волокна становятся более утомляемыми при сокращении против нагрузки в течение длительных периодов. [105]
В отличие от сократительного аппарата, исследования различных метаболических ферментов скелетных мышц грызунов выявили множество реакций без четких адаптивных изменений в экспрессии окислительных ферментов. [96] [111] [112] [124] Эти наблюдения согласуются с результатами исследований, посвященных митохондриальной функции после 9 дней космического полета, в которых не наблюдалось снижения способности митохондрий скелетных мышц метаболизировать пируват (производное углевода) [102] . Эти анализы проводились в условиях метаболизма состояния 3, то есть при неограниченном количестве субстрата и кофакторов для имитации потребности в энергетическом обороте, аналогичной той, что возникает при высокоинтенсивных упражнениях. [102] Однако при испытании субстрата жирной кислоты наблюдалось снижение способности различных типов мышц окислять длинноцепочечную жирную кислоту, пальмитат. [98] Это последнее открытие согласуется с наблюдением, что мышцы, подвергающиеся космическому полету, увеличивают уровень запаса липидов в своих миофибриллах. [111] Кроме того, использование метаболического пути для поглощения глюкозы увеличивается в мышцах, подвергающихся HS. [96] Таким образом, хотя данные по ферментам неоднозначны, похоже, что в ответ на состояния разгрузки может произойти некоторый сдвиг в предпочтении субстрата, при котором углеводы предпочтительно используются на основе способности к использованию. Если это действительно так, это может привести к большей тенденции к мышечной усталости, если запасы углеводов станут ограниченными во время длительных периодов активности EVA.
Стивенс и его коллеги [125] сообщили, что в изолированных анализах отдельных волокон были обнаружены дефициты в способности генерировать силу наряду со сниженной чувствительностью к кальциевой стимуляции. Аналогичные наблюдения наблюдались как для медленных, так и для быстрых волокон разгибателя голеностопного сустава после 14 дней космического полета. Это исследование было сосредоточено на аспектах генерации силы мышечных волокон. Похоже, что было проведено только два дополнительных исследования для изучения влияния космического полета на функциональные свойства скелетных мышц грызунов с использованием более полного набора анализов. Один проект выполнялся в течение 6 дней [104] , а другой включал 2-недельный полет (SLS-2). [105] В обоих исследованиях измерения были сосредоточены на свойствах силы и скорости, которые определяют пределы функциональной способности мышцы. Эти исследования проводились на камбаловидной скелетной мышце, в которой преобладают медленно сокращающиеся миофибриллы из-за динамических изменений в морфологии волокон и фенотипе, которые наблюдались в других исследованиях, обобщенных выше. Анализы животных были начаты в течение 6 часов после возвращения из космического полета. Результаты показали, что максимальная сила мышцы, изученная in situ с использованием компьютерно-программируемой эргометрической системы, снизилась на 24% после 6-дневного полета и на 37% после 14-дневного полета. [105] Эти изменения соответствовали степени атрофии, наблюдаемой как на уровне валового, так и на уровне отдельных миофибрилл. Кроме того, произошли сдвиги в силовой частотной реакции камбаловидной мышцы у животных, совершавших полет, что предполагает переключение на более быстрый сократительный фенотип. Максимальные скорости укорочения были увеличены на 14% и 24% в группах, совершавших 6-дневный и 14-дневный космический полет, соответственно. Эти внутренние увеличения скорости укорочения были отчасти приписаны экспрессии de novo быстрого типа IIx MHC во многих медленных мышечных волокнах. С другой стороны, как рабочая, так и генерирующая мощность способность атрофированных в результате полета мышц была значительно снижена. Кроме того, устойчивость к усталости значительно снизилась, равно как и способность поддерживать работу и выходную мощность в ответ на парадигму, включающую повторяющиеся сокращения. [105] [126] Аналогичные результаты были получены при использовании сопоставимых аналитических подходов, включающих модель HS. [117] [118] [119] [120] [127]В совокупности результаты ясно указывают на то, что когда скелетные мышцы, особенно те, которые имеют большую долю медленных миофибрилл, подвергаются как атрофии, так и ремоделированию сократительного фенотипа, функциональная способность мышцы снижается вместе с ее способностью поддерживать производительность. Если бы достаточная масса мышечной ткани в нескольких ключевых группах мышц была бы затронута аналогичным образом, это, скорее всего, ухудшило бы физическую форму человека при выполнении упражнений средней интенсивности.
Райли и его коллеги [94] [113] [128] представили превосходный обзор структурной целостности мышц млекопитающих на ранних стадиях после возвращения из космического полета. Их выводы показывают, что в атрофированных медленных типах скелетных мышц нет никаких доказательств повреждения волокон, когда мышцы берутся у животных, умерщвленных и обработанных во время космического полета. Однако наблюдения показывают, что в течение первых 5–6 часов после космического полета (самый ранний момент времени, когда животные могут быть доступны) отек возникает в целевых антигравитационных мышцах, таких как камбаловидная мышца и длинная приводящая мышца (AL). [94] Считается, что это происходит из-за увеличения притока крови к мышцам, когда они изначально перезагружаются в противовес гравитации. Кроме того, в определенных областях AL есть некоторые признаки повреждения волокон, основанные на гистологическом анализе целостности миофибрилл и выравнивания белков в саркомере. Хотя эти наблюдения были отмечены в ~2,5% волокон AL, они не присутствовали в камбаловидной мышце. Райли предположил, что причина дифференциальной реакции между двумя группами мышц заключается в том, что ослабленные животные изменили свою позу и походку, так что эксцентрическая нагрузка была оказана на AL, что привело к некоторому повреждению волокон. Отек и повреждение волокон не были отмечены в другой когорте животных, исследованных через 9 дней после приземления. [94] Однако в дополнительных исследованиях, проведенных как на грызунах космического полета, так и на HS [113] [128] , в которых до анализа мышц проходило от 12 до 48 часов, наблюдения показали, что нормальная активность клетки вызывала значительные поражения в мышцах после достаточной реамбулации. Они включали эксцентрически-подобные поврежденные саркомеры, миофибриллярные разрывы, отек и свидетельства активации макрофагов и инфильтрации моноцитов (известные маркеры процессов восстановления повреждений в мышцах) в целевых миофибриллах. [113]
Вывод из этих результатов заключается в том, что действительно существует склонность к мышечным травмам, вторичным по отношению к атрофическому процессу, который ослабляет мышцы, и, учитывая нестабильность животного после космического полета, описанную выше, весьма вероятно, что существует потенциальная возможность получения травмы, если на мышечную систему будут воздействовать стрессовые стимулы до того, как она сможет восстановить свои надлежащие структурные и функциональные возможности.
Как было представлено выше, атрофия скелетных мышц включает дисбаланс между процессами, которые контролируют синтез белка (также известный как трансляция белка), и процессами, которые контролируют распад белка. Когда эти два процесса синхронны, мышечная масса стабильна. Однако, если существует дисбаланс, такой что путь синтеза белка уменьшается относительно скорости деградации, произойдет атрофия мышц. В случае атрофии скелетных мышц в ответ на космический полет или HS, по-видимому, происходит снижение способности к синтезу, а также увеличение процессов, которые регулируют деградацию, создавая быструю чистую реакцию деградации на стимул разгрузки. На основе имеющейся информации считается, что такой сценарий включает следующую цепочку событий. В начале разгрузки, включающей широкий спектр моделей, включая космический полет, в скелетных мышцах происходит снижение транскрипционной и/или претрансляционной активности, которая влияет на гены MHC типа I и IIa [121], а также на ген актина. [122] Это приводит к снижению уровня как пулов пре-мРНК, так и пулов мРНК (последний является субстратом для трансляции белка) для этих трех белков. Вместе MHC и актин обеспечивают основную часть фракции миофибрилл, которая составляет большую часть белка в мышечной клетке. Одновременно происходит снижение активности ключевых ферментных систем протеинкиназы (составляющих путь PI3kinase/akt/mTOR), который регулирует аппарат синтеза белка, контролирующий трансляцию белка. [129] [130] Это изменение в сочетании с меньшим количеством субстрата мРНК в совокупности способствует снижению чистой емкости для синтеза белка. Одновременно с этим процессом происходит повышение регуляции набора генов, кодирующих белки, которые играют регуляторную роль в усилении деградации белка. К ним относятся ген миостатина, [129] [130] ген атрогина 1 , [129] [130] и ген, называемый белком мышечного кольца пальца (MURF). [130] Миостатин — это антиростовой фактор транскрипции, который, как полагают, негативно модулирует гены, способствующие росту. Атрогин и MURF — это лигазы E3, которые отвечают за убиквитинирование целевых белков, чтобы пометить их для деградации в системе, обозначенной как протеасома. Сообщается, что этот белок MURF является ключевым регулятором для специфического целевого расщепления белков MHC типа I и типа IIa. [131]
В результате снижения чистой емкости для синтеза белка и усиления деградации белка происходит чистая потеря мышечного белка в мышечном волокне вместе с изменением относительной пропорции содержания белка MHC, поскольку имеющиеся данные показывают, что более быстрые гены MHC активируются во время атрофии мышц. [121] Следовательно, это приводит к меньшему, более быстрому фенотипу мышц, который, по-видимому, более подходит для работы мышц в состояниях разгрузки. Цепочка событий, описанных выше, должна быть притуплена или обращена вспять, если мышца должна работать оптимально при столкновении с повышенным гравитационным стимулом при возвращении на Землю или переходе от низкой гравитации (микрогравитации) к более высоким гравитационным условиям, таким как посадка на Луну или Марс. Очевидно, что наилучшей стратегией для выполнения этой задачи является программа энергичных контрмер, которая обеспечивает высокий уровень механического напряжения для предотвращения дисбаланса в экспрессии белка, который возникает, когда мышца недостаточно нагружена в течение значительных периодов без промежуточного анаболического стимула.
Насколько нам известно, единственным видом, помимо крысы, который был вовлечен в исследования скелетных мышц в условиях космического полета, является макак-резус. Две обезьяны летали в космосе в течение 14 дней на спутнике Bion 11. Их сравнивали с контрольными животными наземного вивария, а также с группой, ограниченной креслом, которая включала иммобилизацию верхней части руки и плеча. Результаты этих исследований дали следующие идеи. Отдельные волокна (медленные и быстрые) обезьяны демонстрировали функциональные свойства, которые были более тесно связаны со свойствами человеческих волокон, чем с волокнами грызунов, в том смысле, что волокна были больше, но менее мощными на единицу площади поперечного сечения, чем волокна грызунов. [132] [133] Однако при предполетном и послеполетном анализе отдельных волокон медленные волокна как в медленно сокращающейся камбаловидной мышце, так и в трехглавой мышце подверглись большей атрофии и снижению выработки силы и мощности, чем быстро сокращающиеся волокна. Кроме того, трансформации в профиле тяжелой цепи миозина показали, что в двух разных группах мышц наблюдался более высокий уровень гибридных медленных/быстрых волокон. [133] [134] Иммобилизация группы мышц трицепса вызывала схожие реакции, но величина изменений была намного меньше, чем у животных, находящихся в космическом полете. [134]
Дополнительные эксперименты, проведенные на этих же животных, включающие локомоторную активность до и после космического полета с помощью регистрации мышечных электромагнитных и сухожильных сил, соответственно, продемонстрировали, что постуральный и локомоторный контроль был скомпрометирован космическим полетом, как это наблюдалось у людей. [135] Эти изменения в основном проявлялись в измененных сигналах, связанных с нагрузкой, что отражалось в измененном относительном смещении рекрутирования мышц-сгибателей по сравнению с разгибателями и быстрых по сравнению с медленными пулами двигательных единиц. В дополнительном исследовании полета (рейс Cosmos 2229) с участием двух макак-резусов записи ЭМГ были получены до, во время и после космического полета. [136] Эти эксперименты были уникальны тем, что записи, полученные во время космического полета, показали преимущественное смещение в моделях рекрутирования в пользу быстрой медиальной икроножной мышцы по сравнению с ее синергетической медленной камбаловидной мышцей, то есть нормальная модель рекрутирования была обратной; и это изменение сохранялось и на этапе восстановления после космического полета, что дополнительно свидетельствует о реорганизации нейромоторной системы во время и сразу после воздействия микрогравитации.
Таким образом, очевидно, что волокна скелетных мышц человека, обезьян и грызунов имеют схожие закономерности изменений миофибрилл, которые в случае обезьян и людей также связаны с изменением двигательной активности в ответ на различные состояния разгрузки, снижения нагрузки и возвращения в гравитационную среду Земли.
В 2007 году был опубликован отчет о попытках разработать компьютерную симуляцию под названием «Цифровой астронавт» для прогнозирования потери массы и функций скелетных мышц в условиях микрогравитации или для прогнозирования эффективности контрмер у подопытных животных или людей. [137] Цифровой астронавт был описан как «интегрированная, модульная система моделирования и базы данных, которая будет поддерживать космические биомедицинские исследования и операции, позволяя идентифицировать и осмысленно интерпретировать медицинские и физиологические исследования, необходимые для исследования человеком космоса, и определять эффективность конкретных индивидуальных человеческих контрмер для снижения риска и достижения целей в области здоровья и производительности в сложных исследовательских миссиях». [137] Из-за трудностей в разработке такой математической модели, основанной на сложностях и переменных физиологии человека, работающего в необычной среде микрогравитации, полезность этого подхода, хотя и разумная, еще не доказана.
Риски, связанные с потерей массы скелетных мышц, силы и выносливости, зависят не только от уровня потери, но и от начальной точки и относительного физиологического расхода, необходимого для успешного выполнения требуемого набора задач в течение фиксированного периода. Таким образом, член экипажа должен быть способен выполнить задачу до того, как подвергнется воздействию микрогравитации, объем функциональной потери не может быть ниже уровня, необходимого для успешного выполнения всех поставленных задач, и требования к физической работоспособности для выполнения задач должны быть известны. Без информации, касающейся требований к физической работоспособности задач, невозможно определить риск неудачи.
Кроме того, если задача не может быть выполнена членом экипажа до воздействия микрогравитации, можно обоснованно утверждать, что риск неудачи во время миссии составляет 100%. Однако, даже если член экипажа имеет возможность выполнить каждую возможную задачу, совокупность задач, которые должны быть выполнены в течение конечного периода времени, представляет собой совершенно иное требование, поскольку может быть возможным выбрать совокупность задач, которые должны быть выполнены в течение периода работы, который превышает возможности одного члена экипажа или, возможно, каждого члена экипажа. Кроме того, необходимо учитывать все возможные непредвиденные обстоятельства, которые могут возникнуть, чтобы член экипажа мог справиться с такими нештатными сценариями даже ближе к концу рабочего дня. Таким образом, даже такой базовый подход, как продуманное планирование ежедневных задач, может помочь снизить риск.
Из вышеизложенного обсуждения вытекает несколько важных моментов, которые необходимо знать относительно рисков, связанных с потерей массы скелетных мышц, силы и выносливости. К ним относятся:
Указание на важность индивидуальной базовой производительности получено из наглядного примера из программы EDOMP. Потери силы сгибателей и разгибателей туловища были больше у членов экипажа, которые занимались на беговой дорожке Shuttle во время полета, чем у членов экипажа, которые не занимались во время своей миссии (см. Рисунок 6-7). Хотя на первый взгляд это кажется нелогичным, простая логика дает объяснение. Члены экипажа, которые решили заниматься спортом во время полета, делали это потому, что они регулярно занимались спортом в рамках своей повседневной рутины перед полетом. Поскольку они находились на более высоком уровне физической подготовки, чем их не занимающиеся спортом когорты членов экипажа, они потеряли больше силы во время полета. Однако то, что нельзя установить из данных об изменении в %, — это абсолютные уровни силы. Например, тренирующиеся члены экипажа, которые потеряли в два раза больше силы мышц живота и спины, чем их не занимающиеся спортом коллеги, все равно могли бы иметь большую силу в этих мышцах, если бы они начинали в три раза сильнее, чем их не занимающиеся спортом коллеги.
Что касается будущих миссий с участием людей, то лунные вылазки, вероятно, будут представлять наименьший риск из всех запланированных в настоящее время миссий и, вероятно, не будут более рискованными, чем миссии Apollo (по крайней мере, в отношении работы скелетных мышц), если только не будут запланированы необычные операции на поверхности, которые заметно отличаются от операций Apollo на лунной поверхности. Самое продолжительное совокупное время выхода экипажа на поверхность Луны в ходе программы Apollo составило около 22 часов (в сумме за 3 отдельных дня), а самая продолжительная общая продолжительность пребывания экипажа на поверхности Луны составила около 75 часов во время шестой и последней миссии Apollo (Apollo 17).
Ответ на вопрос о том, должно ли быть доступно тренировочное оборудование для членов экипажа для коротких миссий на Луну и обратно, на самом деле прост, и ответом является громкое «Да». Во время некоторых миссий Apollo членам экипажа предоставлялось небольшое, легкое устройство под названием «Exer-Genie», которое не требовало внешнего питания (см. Рисунок 6-1), и их поощряли использовать его. Конкретные комментарии членов экипажа Apollo, собранные во время недавнего «Саммита Apollo», особенно актуальны [138] и могут быть обобщены следующим образом:
Миссии на лунный форпост будут представлять большую сложность, чем более короткие миссии «вылазки», но в отношении текущей темы риска они, вероятно, представляют риски, аналогичные тем, которые испытываются на МКС. Лунная гравитация, хотя и составляет около 1/6 от земной гравитации, все же более благоприятна для обеспечения достаточной нагрузки для поддержания мышечной массы и функции, чем микрогравитация. Конечно, потребуются режимы упражнений и оборудование, не только для борьбы с атрофией мышц, но и по причинам, указанным выше астронавтами «Аполлона». Сколько упражнений необходимо и как их правильно выполнять, безусловно, являются пробелами в знаниях, для заполнения которых потребуются инновационные исследования. Часть этих исследований, несомненно, поможет определить уровень рисков, которым будут подвергаться экипажи, но также будет полезна для надлежащего снижения этих рисков.
Без сомнения, транспортировка между Землей и Марсом, а также обратный путь представляют собой наибольшие риски для людей, с которыми сталкивались в истории космических полетов человека. Несмотря на риски воздействия радиации, необходимо предотвратить ухудшение опорно-двигательного аппарата, иначе миссия на Марс (и обратно) не будет успешной. Для снижения рисков, присущих длительному воздействию микрогравитации на людей, обязательны тщательно проработанные протоколы упражнений, надежное оборудование для упражнений и методы контроля функциональных возможностей. Огромной проблемой будет обеспечить вышеизложенное в рамках текущей конструкции исследовательского корабля с экипажем (CEV), который обеспечивает незначительное пространство для оборудования и экипажа. Тесные ограничения оставят мало места для растяжки или упражнений. Умеренное или отсутствующее питание для оборудования и система жизнеобеспечения человека, конструкция которой может быть неудовлетворительной для поддержки полного набора упражнений за счет эффективного управления теплом, водяным паром и углекислым газом, которые являются побочными продуктами человеческих упражнений, являются дополнительными проблемами, которые необходимо преодолеть.
Знания, полученные во время миссий лунных аванпостов, будут иметь большое значение для успешного создания марсианского аванпоста. Если проблемы, связанные с длительным транзитом к Марсу и длительным периодом воздействия микрогравитации, могут быть решены, фаза аванпоста должна представлять гораздо меньший риск по сравнению с этим, поскольку опыт лунного аванпоста предоставит значительную возможность разработать стратегии снижения риска для этой фазы. Гравитационные среды схожи; на самом деле, марсианское гравитационное поле, будучи больше, чем у Луны, обеспечит менее грозную обстановку. Однако способность обеспечить достаточную физическую работоспособность во время фазы марсианского аванпоста имеет важное значение для подготовки экипажа к длительному воздействию микрогравитации при обратном транзите на Землю. Это, вероятно, представляет собой самую большую проблему в отношении поддержания безопасного уровня производительности скелетных мышц для миссий исследовательского класса.
Несмотря на четыре десятилетия усилий, успех в профилактике атрофии мышц в условиях космического полета и функционального дефицита скелетных мышц пока не был достигнут во всех случаях, хотя прогресс был достигнут. Пробелы в наших знаниях не позволили нам реализовать программу контрмер, которая полностью снизит риски потери мышечной массы, функций и выносливости во время воздействия микрогравитации космического полета, особенно во время длительных миссий. Также существуют пробелы в наших знаниях о работе и жизни в условиях частичной гравитации и о влиянии, которое ношение скафандра EVA оказывает на работоспособность человека в такой среде.
Основные пробелы в знаниях, которые необходимо устранить в ходе будущих исследований для снижения риска потери массы, функции и выносливости скелетных мышц, включают следующее:
Миссия на Марс или другую планету или астероид в пределах Солнечной системы не исключена в течение следующих двух десятилетий. Увеличенное время транзита к и от далеких планетных тел в контексте текущих конструкций CEV представляет собой серьезную проблему для сообщества естественных наук. Знания, полученные из опыта и исследований во время длительного воздействия микрогравитации на МКС, будут полезны для снижения рисков для людей на этом этапе. Многие пробелы в наших текущих знаниях о жизни и работе в течение длительных периодов на поверхности планет в условиях частичной гравитации должны быть заполнены во время миссий лунных форпостов.
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
В статье использованы общедоступные материалы из книги Human Health and Performance Risks of Space Exploration Missions (PDF) . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . (НАСА SP-2009-3405).