Lori Ploutz-Snyder

1 Fiziologie și contramăsuri de exerciții, Asociația Universitară de Cercetare Spațială, Houston, Texas.

adaptării

Susan Bloomfield

2 Departamentul de Kinesiologie, Universitatea Texas A&M, College Station, Texas.

Scott M. Smith

3 Divizia de cercetare biomedicală și științe ale mediului, Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA) Johnson Space Center, Houston, Texas.

Sandra K. Hunter

4 Exerciții științifice, Universitatea Marquette, Milwaukee, Wisconsin.

Kim Templeton

5 Departamentul de Chirurgie Ortopedică, Universitatea din Kansas Medical Center Kansas City, Kansas.

Debra Bemben

6 Departamentul de Sănătate și Știința Exercițiului, Universitatea din Oklahoma, Norman, Oklahoma.

Abstract

Există o variabilitate considerabilă în rândul indivizilor în răspunsul musculo-scheletic la zborul spațial de lungă durată. Originea specifică a variabilității individuale este necunoscută, dar este aproape sigur influențată de detaliile altor condiții ale misiunii, cum ar fi diferențele individuale în contramăsurile exercițiului, în special intensitatea exercițiului, aportul alimentar, utilizarea medicamentelor, stresul, somnul, profilurile psihologice și misiunea reală solicită sarcini. În plus față de variațiile condițiilor misiunii, diferențele genetice pot explica un anumit aspect al variabilității individuale. În general, această variabilitate individuală depășește variabilitatea între sexe care se adaugă la complexitatea înțelegerii diferențelor de sex numai. Sunt prezentate și discutate cercetări legate în mod specific de diferențele de sex ale aparatului locomotor în timpul descărcării.

Sănătatea musculo-scheletală în spațiu

Este bine cunoscut faptul că bărbații și femeile diferă în multe aspecte ale sistemului musculo-scheletic, bărbații având, în general, o masă musculară și osoasă mai mare. Întrebările importante pentru aplicarea zborurilor spațiale sunt dacă cursul de timp al pierderii cu descărcarea este același pentru bărbați și femei, dacă masa osoasă sau musculară inițială influențează rata pierderii, dacă rata de pierdere este liniară pe o perioadă de aproximativ 3 ani ( durata cea mai probabilă a misiunilor inițiale de explorare) și dacă pierderea de os și/sau mușchi în această perioadă de timp are efecte secundare asupra altor țesuturi musculo-scheletice, cum ar fi cartilajul articular. Dacă există diferențe mari de sex în timpul pierderii, acesta ar fi un argument convingător pentru dezvoltarea contramăsurii specifice sexului pentru misiunile spațiale de clasă de explorare. Cu toate acestea, din cunoștințele autorilor, nu există studii la om publicate care să evalueze în mod direct diferențele de sex, fie în cursul de timp al pierderii osoase sau musculare induse de nefolosire, fie în impactul valorilor inițiale.

Este bine stabilit că răspunsul musculoscheletal uman la descărcare este foarte variabil în rândul indivizilor, cu diferențe de 10 ori în răspunsul dintre participanți adesea observate. De exemplu, după 30 de zile de suspensie unilaterală a membrelor inferioare, răspunsurile individuale au variat de la 2,5% până la o scădere de aproape 20% a suprafeței transversale plantarflexor comparativ cu înainte de suspendare. 1 În mod similar, cu zborul spațial efectiv, pierderea osului cancelos în tibia distală după 6 luni la bordul Mir a variat de la 2% la 24%; astfel de modificări variază de la o pierdere neglijabilă la deficite egale cu cele observate după leziunea măduvei spinării. 2 Înțelegerea factorilor care contribuie la o variabilitate atât de mare este un pas important atât pentru selectarea, cât și pentru protejarea primilor astronauți care întreprind misiuni de explorare foarte lungi (2-3 ani). Nu se cunoaște măsura în care sexul biologic sau hormonii pe bază de sex contribuie la această variabilitate.

În timp ce această revizuire se concentrează pe diferențele de sex în răspunsul sistemului musculo-scheletic la descărcarea microgravitației, este important să ne amintim că incertitudinea majoră asupra factorilor care contribuie la diferențele individuale este o problemă semnificativă. Accentele principale ale revizuirii literaturii au fost evaluarea diferențelor de sex în ceea ce privește (1) magnitudinea răspunsului și evoluția timpului pierderii musculare/osoase până la descărcare, (2) influența echilibrului energetic negativ asupra pierderii musculare/osoase și ( 3) riscul de vătămare articulară și impactul asupra cartilajului articular. Această revizuire a literaturii evaluează diferențele de sex la adulții sănătoși de vârstă mijlocie și nu ia în considerare creșterea și dezvoltarea adolescentului sau a adultului timpuriu, menopauză, osteoporoză sau bătrânețe. Deși toate acestea sunt cu siguranță importante, există foarte puțină literatură, dacă există, referitoare la zborurile spațiale și la aceste probleme.

Curs în timp și amploarea răspunsului: mușchi

Există, de asemenea, domenii în care diferențele de sex apar destul de puțin probabil. Atât pentru bărbați, cât și pentru femei, atrofia întregului mușchi și a fibrelor musculare unice nu ține cont pe deplin de puterea și pierderea de putere; reducerea forței și a secțiunii transversale a fibrelor de tip 1 pare a fi foarte asemănătoare la ambele sexe. 8,11,12 Un decalaj semnificativ în cunoștințe este dacă diferențele de sex în pierderea forței/activarea neuronală se traduc prin diferențe de performanță funcțională (de exemplu, sarcini legate de misiune).

Curs în timp și amploarea răspunsului: os

Diferențele de sex în densitatea minerală osoasă (DMO) sunt bine documentate; deoarece masa osoasă se transformă în masă corporală, bărbații au în medie o masă scheletică mai mare. Există puține dovezi, cu toate acestea, dacă există o diferență de sex în ratele de pierdere osoasă la descărcare sau în rata sau amploarea recuperării din acestea. În timp ce efectele repausului la pat asupra DMO și/sau metabolismului osos au fost examinate separat la bărbați 13,14 și la femei, 15,16,17 nu au existat studii la om care să fi fost alimentate statistic pentru a face comparații sexuale directe. Într-un studiu de 17 săptămâni de repaus la pat care a inclus atât bărbați (n = 13), cât și femei (n = 5) la unul dintre cele 10 locuri măsurate (calcaneu), pierderea osoasă a fost semnificativ mai mică la femei decât la bărbați. Cu toate acestea, DMO totală a șoldului evaluată cu radioterapie cu energie duală pentru femei într-un studiu de odihnă la pat de 60 de zile 17 a relevat o pierdere substanțială la locul respectiv, în timp ce bărbații dintr-un studiu similar nu au înregistrat o scădere a mineralului total al osului șoldului conţinut. 13

BMD volumetrică și geometria osoasă a compartimentelor tibiale spongioase și corticale au fost evaluate după repaus prelungit la pat folosind tomografie computerizată cantitativă periferică (pQCT) la bărbați 13,15 și pQCT de înaltă rezoluție la femei. 16 Diferențele mici de gen observate în ratele de pierdere osoasă la acele zone tibiale se încadrează în precizia raportată pentru aceste variabile pQCT. Investigațiile alăturate folosind descărcarea membrelor posterioare ale rozătoarelor (un surogat utilizat în mod obișnuit pentru microgravitație) relevă o pierdere osoasă spongioasă mai mare la șoarecii femele maturi 18 și un efect distinct al valorilor inițiale (șoarecii cu volum osos mai mare la început au pierdut mai puțin os ). Cu toate acestea, la șobolanii maturi, există puține diferențe între sexe. 19

Există puține dovezi definitive care să arate diferențe specifice sexului în rata pierderii osoase. Cu siguranță, unele dintre diferențele individuale pot fi legate de factori hormonali specifici sexului. Ca și în cazul mușchilor, variabilitatea individuală în cadrul sexului ca răspuns la descărcare este mare și ar trebui înțeleasă mai bine.

Echilibrul energetic negativ

Unele studii de repaus la pat au restricționat aportul de energie și au permis scăderea în greutate prin proiectare sau au permis subiecților să consume alimente la discreția lor, astfel încât să nu constrângă aportul. Studiul de simulare internațională pentru femei de 60 de zile pentru explorarea spațiului a fost unul dintre aceste studii și, ca rezultat, aceste subiecte de sex feminin au pierdut în greutate corporală (țesut slab mai mult decât grăsime) în timpul repausului la pat cu o rată de 0,06 kg/zi. 20 Într-un studiu similar de 90 de zile cu subiecți de sex masculin realizat mai devreme la aceeași instituție, bărbații au pierdut în greutate, de asemenea, cu 0,04 kg/zi (calculată din pierderea medie în greutate publicată). 21 Datorită numeroaselor diferențe în proiectarea studiului, nu se poate concluziona cu nicio certitudine dacă această ușoară diferență în rata pierderii în greutate între bărbați și femei este de vreo semnificație.

În timp ce „lipsa de greutate” este un aspect cheie al călătoriilor în spațiu, un analog neașteptat vine sub forma studiilor legate de pierderea în greutate. Deși există o cantitate destul de mare de literatură despre pierderea în greutate și efectele asupra osului 22, asemănătoare cercetărilor legate de spațiu, puține studii au examinat efectele echilibrului energetic negativ asupra osului în ceea ce privește sexul, iar cele care au încercat sunt afectate de multe confuzii. factori (vârsta, dimensiunea corpului, scăderea în greutate indusă de dietă și/sau exercițiu, rata pierderii în greutate etc.), ceea ce face dificilă tragerea concluziilor.

Prin urmare, există puțină literatură care evaluează diferențele legate de sex în raport cu efectele deficitului de energie asupra metabolismului osos și muscular. Efectuarea de comparații între studii separate care evaluează răspunsurile bărbaților și femeilor este plină de factori confuzi. Dacă cineva ar specula, nu pare să existe diferențe majore de sex în răspunsurile osoase sau musculare la deficitul de energie dintre bărbați și femei.

Leziuni articulare

Diferențele bazate pe sex au fost identificate în incidența osteoartritei (OA), cu OA a genunchiului, în special, semnificativ mai frecventă la femei. Factorii de risc pe bază de sex care explică acest lucru includ pierderea efectului anabolic al estrogenului asupra cartilajului după menopauză, o incidență mai mare a leziunilor predispozante la genunchi - cum ar fi rupturile ligamentului încrucișat anterior - la femei și creșterea laxității articulațiilor. 23 Există dovezi clare din studiile pe animale că încărcarea mecanică regulată este esențială pentru sănătatea cartilajului. La om, 6 sau mai multe săptămâni fără greutate pot produce modificări ale imaginilor prin rezonanță magnetică a cartilajului genunchiului care seamănă cu OA. 24 Cu toate acestea, diferențele bazate pe sex în răspunsul la descărcarea articulară nu au fost elucidate.

Au fost raportate leziuni musculo-scheletice în timpul zborului la o rată de 0,021 pe zi de zbor pentru bărbați și 0,015 pe zi de zbor pentru femei; leziunile mâinilor sunt cele mai frecvente, cu abraziuni și mici lacerații cele mai frecvente manifestări. 29 Există puține date despre recuperarea sistemului musculo-scheletic în urma zborului spațial și chiar mai puține date despre diferențele de sex în ratele de recuperare. În general, echipajul stației spațiale internaționale are o recuperare substanțială a forței musculare în decurs de o lună după zbor. Cursul de recuperare a densității minerale osoase a fost evaluat, dar nu în mod specific pentru diferențele de sex. În general, timpii de înjumătățire pentru recuperarea densității minerale osoase sunt de aproximativ 150-200 de zile, în funcție de loc. 30

Mulțumiri

Grupul de lucru recunoaște cu recunoștință Andrea Hanson, dr., Wyle Science, Technology, and Engineering Group, National Aeronautics and Space Administration Johnson Space Center, pentru asistență în pregătirea acestui manuscris.