Emberi küldetés a Marsra: Az űrhajósok csont ásványianyag-csökkenésének előrejelzése

Szerepek Konceptualizálás, adatkezelés, módszertan, írás - eredeti vázlat, írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Űrtudományi Osztály, NASA-Ames Kutatóközpont, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok, Anyagtudományi és Műszaki Tanszék, Stanford Egyetem, Stanford, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Adatkúra, formális elemzés, írás - eredeti vázlat, írás - áttekintés és szerkesztés

Tartozékok Anyagtudományi és Mérnöki Tanszék, Stanford Egyetem, Stanford, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok, Kémiai Tanszék, Stanford Egyetem, Stanford, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Adatkúra, formális elemzés, írás - eredeti vázlat, írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Űrtudományi Osztály, NASA-Ames Kutatóközpont, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Formális elemzés, Írás - eredeti vázlat, Írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Űrtudományi Osztály, NASA-Ames Kutatóközpont, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Konceptualizálás, Írás - eredeti vázlat, Írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Űrtudományi Osztály, NASA-Ames Kutatóközpont, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Formális elemzés, Projekt adminisztráció, Felügyelet, Írás - eredeti vázlat, Írás - áttekintés és szerkesztés

Társadalmi Űrtudományi Osztály, NASA-Ames Kutatóközpont, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Szerepek Konceptualizálás, Formális elemzés, Finanszírozás megszerzése, Projekt adminisztráció, Felügyelet, Írás - eredeti vázlat, Írás - áttekintés és szerkesztés

Tartozékok Anyagtudományi és Mérnöki Tanszék, Stanford Egyetem, Stanford, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok, Biomérnöki Tanszék, Stanford Egyetem, Stanford, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Eneko Axpe,
Doreen Chan,
Metadel F. Abegaz,
Ann-Sofie Schreurs,
Joshua S. Alwood,
Ruth K. Globus,
Eric A. Appel

Ábrák

Absztrakt

Az emberi oda-vissza út a Marson várhatóan körülbelül három évig tart. Az űrrepülési körülmények köztudottan a csont ásványi sűrűségének (BMD) csökkenését okozzák az űrhajósokban, növelve a csonttörés kockázatát. Sürgősen meg kell érteni a BMD progresszióját az űrrepülési idő függvényében, hogy minimalizálják a kapcsolódó egészségügyi következményeket és biztosítsák a küldetés sikerét. Bemutatjuk a BMD veszteségének nemlineáris matematikai modelljét a Marsra irányuló jelölt emberi küldetésekhez: (i) az ellenzéki osztály pályája (400–600 nap) és (ii) a konjunkció osztály pályája (1000–1200 nap). Az űrhajósok combnyakának BMD-adatait (N = 69) 132 napos és 228 napos űrrepülés után, valamint az Egészségügyi Világszervezet töréskockázati ajánlását felhasználva megjósoltuk a misszió utáni kockázatot és a kapcsolódó osteopathológiát. Modellünk előrejelzése szerint az ellenzéki osztályú űrhajósok 62% -a, az űrhajósok 100% -a pedig oszteopéniát fog kialakítani, 33% -uk pedig az oszteoporózis kockázatának van kitéve. Ez a modell segíthet az ellensúlyozási stratégiák megvalósításában, és tájékoztatja az űrügynökségeket a legénység jelöltjeinek kiválasztásáról.

Idézet: Axpe E, Chan D, Abegaz MF, Schreurs A-S, Alwood JS, Globus RK és mtsai. (2020) Emberi küldetés a Marsra: Az űrhajósok csont ásványianyag-csökkenésének előrejelzése. PLoS ONE 15 (1): e0226434. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0226434

Szerkesztő: Sakamuri V. Reddy, Charles P. Darby Gyermekkutató Intézet, EGYESÜLT ÁLLAMOK

Fogadott: 2019. október 26 .; Elfogadott: 2019. november 26 .; Közzétett: 2020. január 22

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, minden szerzői jogtól mentes, és bárki szabadon reprodukálhatja, terjesztheti, továbbíthatja, módosíthatja, továbbépítheti vagy más módon felhasználhatja bármilyen törvényes célra. A mű a Creative Commons CC0 közkincs dedikációja alatt érhető el.

Adatok elérhetősége: A combnyak BMD-értékeit a következő cikkből vettük ki: https://doi.org/10.1007/s001980050093. Egyéb adatok az NHANES adatbázisból állnak rendelkezésre: https://wwwn.cdc.gov/nchs/nhanes/.

Finanszírozás: Az EAA hálás az Emberi Rendszerek Immunológiai Központjának a Bill és Melinda Gates Alapítvány OPP1113682 támogatásáért. E.A. hálás a Stanford Bio-X Interdiszciplináris Kezdeményezések Program 8. fordulójának (2016) Seed Grant támogatásáért, amely a baszk kormány posztdoktori ösztöndíja és az IT-1005-16 sz. baszk kormányzati támogatás. DC hálás a Honvédelmi Minisztérium, a Légierő Tudományos Kutatási Hivatalának, a Honvédelmi Tudományok és Mérnöki Diplomások (ND-SEG) ösztöndíjának (32 CFR168a), az FA9550-11-C-0028 kormányzati támogatásért. A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Bevezetés

Törés akkor következik be, amikor egy bizonyos terhelés meghaladja a csont végső erejét. A csont szilárdságának mérhető, kritikus összetevője az arealis csont ásványi sűrűség (BMD) [1]. A BMD veszteség a csontgyengülés következtében megállapított töréskockázati tényező, amelyet nagy epidemiológiai vizsgálatokban mértek, korrelálva a BMD-vel a törékenységi törések incidenciájával [2–4]. A csontok állapotának figyelemmel kísérésére és fenntartására vonatkozó jelenlegi szabványok mind a NASA, mind az ISS legénység tagjainál a BMD-méréseken alapulnak, kettős energiájú röntgenabszorpciós módszerrel (DXA) [5]. Köztudott, hogy a hosszú ideig tartó űrrepülések BMD-vesztést okoznak a súlyt viselő csontokban, bár jelentős az egyéni változékonyság [6–12]. A BMD veszteség az űrrepülés időtartamának függvényében továbbra sem eléggé ismert, az átlagos veszteség mértéke általában 1–1,5%/hó között van a súlyt viselő csontok esetében [13,14]. Ezek a számítások a DXA méréseken alapulnak, általában 4–6 hónapos küldetések előtt és után.

A Mars-küldetés során megtett> 54 millió kilométer alatt az űrhajósok az űrrepülés történetében a leghosszabb mikrogravitációs és kozmikus sugárzási viszonyoknak lesznek kitéve. Ezért meg kell határozni az ilyen expozíció lehetséges egészségügyi következményeit, mielőtt folytatnánk a bolygóközi kutatást [15]. Valójában a 14 űrügynökségből álló Nemzetközi Űrkutatási Koordinációs Csoport (ISECG) célja egy nagy hatótávolságú emberi űrkutatási stratégia előmozdítása. Az ISECG globális feltárási ütemtervének legújabb kiadása [16] szerint, amely 2018 januárjában jelent meg, az ügynökségek kölcsönös mozgató célja az emberi jelenlét lehetővé tétele a Marson. A NASA első emberi küldetése a Mars környékére a 2030-as évek közepére várható, és a 2040-es évekre várható egy ember leszállás a marsi felszínen.

A hosszú távú űrrepülések során bekövetkező BMD-veszteségre vonatkozó prediktív matematikai modell segíthet az űrügynökségeknél a misszió időtartamáról és a személyzet kiválasztásáról a törési kockázat minimalizálása érdekében. Tudomásunk szerint minden egyes korábbi munka feltételezi a BMD lineáris csökkenését az űrhajósokban, hogy előrejelzéseket tegyen [13], ami nem érvényes hosszú időtartamú űrrepülésekre. Konkrétan a combnyak BMD veszteségét lineáris csökkenésként modellezték: (1,06 ± 0,63)% BMD veszteség havonta [17,18]. A lineáris csökkenés azonban nem reális nagyon hosszú időtartamú, bolygóközi küldetések esetén, mivel hosszabb időtartamokra nem fizikailag negatív BMD-értékeket jósol. Ezzel szemben a BMD helyreállítását a Földön különböző űrhajósok csontjaiban az űrrepülések után egy exponenciális függvény jól leírja [19]. Ezenkívül földi bizonyítékok vannak arra, hogy a csontmátrix és a csontásvány elvesztése olyan körülmények következtében, amelyek hosszan tartó ágynyugalmat eredményeznek (pl. Orvosi rendellenességek és/vagy gerincvelő sérülés), a kezdeti BMD 69,0% -ánál fennsíkokon, jelentős és progresszív periódus után csökkenés [18,20,21]. Így a BMD nem lineáris, exponenciális csökkenése a súlyt viselő csontokban ésszerű megközelítés a progresszív csontvesztés modellezésére hosszú ideig tartó űrmissziókban.

Ebben a cikkben először bevezetünk egy prediktív matematikai modellt a BMD veszteségre, amelyet az űrhajósok teherbíró csontjainak exponenciális csökkenése határoz meg. Ennek a modellnek az alkalmazásával megjósoljuk a BMD veszteségét a combnyakban két lehetséges Mars-küldetés esetén.

Mód

Matematikai megfogalmazás

Földi bizonyítékok vannak arra, hogy a csontok sűrűsége valószínűleg megterhelődik a súlyt viselő csontok hosszú vesztesége után [18,20,21]. Továbbá az űrhajósoktól nem állnak rendelkezésre a bolygóközi utazás szempontjából releváns időkeretekre vonatkozó alátámasztó adatok (az összes jelölt misszió a jelenlegi rakétakapacitásoknak megfelelően az évek sorrendjében van). A gerincvelő sérülése azonban példát mutat arra, hogy a BMD csökkenésében fennálló fennsík 1,5–2,5 évvel a sérülés után következik be, ami hasonló a Marsra irányuló esetleges emberi küldetések teljes időtartamához. Ezenkívül korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a gerincvelő sérülését és a mikrogravitációnak való kitettséget követően bekövetkező változások rendkívül hasonlóak [22]. Ezért megfogalmazzuk, hogy az areal BMD változása a súlyt viselő csontokban a t, BMD (t) időpontban az űrrepülések során, egyfázisú exponenciális bomlásként:

A BMD-változást itt százalékban [%] fejezzük ki, λ megfelel a BMD bomlási sebességének, és C a területi csont ásványi sűrűsége közvetlenül az indítás előtt:

P megfelel a fennsíknak. Korábban a becslések szerint a maximális teljes BMD-veszteség 69,0% volt az űrhajósok repülés előtti BMD-jéhez viszonyítva [18], és ezt különböző emberen végzett nagy vizsgálatok adatainak összevonásával nyerték [23,24]. Ezért feltételezve, hogy a BMD veszteség végül ezen a maximális értéken fennsík lesz:

A combcsont nyaki BMD veszteségére vonatkozó rendelkezésre álló adatok nemlineáris regresszióját hajtottuk végre. Annak érdekében, hogy modellünkben a combnyak BMD-jének bomlási arányát (λ) nyerjük, a platót P = 69,0% -os BMD-veszteségként definiáltuk az előindításhoz képest. A combnyakat azért választották más súlyt viselő csontok közül, mert az Egészségügyi Világszervezet (WHO) [25] javasolja a törékenységi törés kockázatához kapcsolódó T-pontszám meghatározásához, valamint az oszteoporózis diagnosztizálásához a klinikai gyakorlatban [18]. Az 1. táblázat tartalmazza az irodalomban jelenleg rendelkezésre álló összes adatot (összesen 69 érték, némelyik átlag ± SD-ként kifejezve, a jelzések szerint).

Miután kiszámítottuk a BMD veszteséget az előző egyenlet felhasználásával, a Nemzeti Egészségügyi és Táplálkozási Vizsgálat (NHANES) referencia adatbázis normatív adatainak felhasználásával kiszámítottuk a különböző etnikumok és nemek T-pontszámát, pontosan az Egészségügyi Világszervezet ajánlása szerint. A T-pontszámot a 20–29 éves kaukázusi nők átlagát meghaladó vagy alatti standard eltérések számaként definiálják (= 0,858, SD = 0,120):

Az előző képletben minden i csoportra kiszámították, a következőképpen:

Itt minden csoport (férfi/nő, nem spanyol, fehér/nem spanyol, fekete, mexikói-amerikai és 30–39 éves, 40–49 éves) átlagértékeként kaptuk meg az NHANES referencia adatbázisból. A BMD% (t) megfelel az ebben a vizsgálatban kapott BMD veszteségnek. Az összes kapott adat megtalálható az S1 – S5 táblázatokban.

Miután kiszámoltuk az űrhajósok egyes csoportjait, az Osteopenia vagy az osteoporosis virtuális diagnosztizálását a T-pontszám alapján, a WHO kritériumai alapján rendeltük meg. A nemzetközi referencia-szabvány [22] szerint az oszteoporózist akkor diagnosztizálják, amikor a T-score -1, a T-score normálisnak tekinthető.

Eredmények

A nemlineáris regresszióból kapott értékeket a 2. táblázat foglalja össze. Az űrhajósok combnyakában a BMD veszteség előrejelző modellje egy hosszú űrrepülés során (BMD% (t)) a 2. táblázatban felsorolt értékek alapján., a következő:

Korábbi tanulmányok kiszámították a különböző erős jelölt emberi küldetések időtartamát a Marsra [26,27]. Az ellenzéki osztály pályán alapuló küldetései (400–600 nap), más néven „rövid tartózkodás”, technikailag és technikailag megterhelőek (azaz nagy delta sebességű manővereket igényelnek, következésképpen sokkal nagyobb hajtóanyag-tömeget igényelnek, és jelen pillanatban is kihívást jelentene teljesíteni) meghajtási technológiák). A „hosszú távú tartózkodási” küldetéseknek is nevezett összekapcsolási osztályú pályák (1000–1200 nap) minimalizálják az energiaigényt és kevésbé nehezen hajthatók végre. Modellünk segítségével megjósoltuk a BMD veszteségét ezekre a Marsra irányuló esetleges küldetésekre. Az 1. ábrán ábrázoltuk az előző függvényt az idő függvényében, hogy bemutassuk a BMD veszteségre vonatkozó előrejelzéseit a hosszú ideig tartó űrrepüléseknél.

A szürke pontok a korábbi küldetések során kapott kísérleti adatokat képviselik, kettős energiájú röntgenabszorptiometriával (DXA) mérve. Két különféle potenciális emberi küldetést emelnek ki a Marsra: (i) ellenzéki osztály, amelynek időtartama 400–600 nap (piros pontokkal ellátott terület) és (ii) együttes osztály, amelynek időtartama 1000–1200 nap (terület piros vonalak). A prediktív modellt a folytonos, fekete vonal képviseli, a 95% -os konfidencia intervallumhatárokat szaggatott, fekete vonalakkal, a fennsíkot pedig a szaggatott, fekete vonallal ábrázolják. Összehasonlítás a (nem fizikális) lineáris modellel az S1 – S3 ábrákon található.

Ezen eredmények alapján T-pontszámokat vagy minden nemet/etnikumot/korcsoportot kaptunk, és összefoglaltuk a 3. táblázatban. A klinikán jelenleg egy T-pontszámot adunk egy beteg BMD-jének összehasonlításához egy egészséges fiatal felnőtt BMD-jével. . A különbségeket a standard eltérések (SD) nevű egységekben mérjük. Minél nagyobb a 0 alatti szórás, annál alacsonyabb a beteg BMD-je, és ezért annál nagyobb a törés kockázata. A +1 és −1 közötti T-pontszám normális (egészséges). A −1 és −2,5 közötti T-pontszám osteopeniát jelez. A T-pontszám 3. táblázat. Becsült T-pontszámok minden nem/etnikum/korcsoport szerint.

A színkódot a nemzetközi referencia-szabvány határozza meg, az oszteoporózis vörös színű (T-score -1). A NASA nem megengedett eredménye a T-pontszám -2) az űrhajósok többségének. Míg egyes személyzetnél valószínűleg osteopenia alakul ki, egyiküknek sem jósolják osteoporosis kialakulását.

Az NHANES referenciaadatbázis földi értékeivel összhangban a nem spanyol, 30–39 éves fekete férfiaknál a küldetések bármelyikében a legalacsonyabb a csonttörés kockázata, míg a nem spanyol, 40–49 éves, fehér nőknél a csonttörés legnagyobb kockázata a különböző elemzett csoportok között.

A bemutatott matematikai modell az első tudomásunk szerint, amely nem feltételezi az űrhajósok BMD lineáris csökkenését [28–30]. Bár a szakirodalomban széles körben alkalmazzák a lineáris csökkenést, hosszú távú űrrepülések során végül negatív BMD-t fog megjósolni, amelynek nincs semmilyen fizikai jelentése. Modellünk követi azokat a földi bizonyítékokat, amelyek arra engednek következtetni, hogy a BMD veszteség végül fennsíkon halad [18] hosszú időtartamú űrrepülések során. Ez a megközelítés lehetővé tette számunkra a BMD veszteség modellezését az emberi bolygóközi küldetések során, amely értékes eszközt jelentett az űrhajósok törési kockázatának előrejelzéséhez a Marsra irányuló misszió során.

Modellünk egy egyszerű és hatékony matematikai eszközt mutat be, amely lehetővé teszi a BMD veszteség és a T-pontszám gyors becslését bármely űrhajós számára egy hosszú ideig tartó űrrepülés során. Néhány korlátozás mégis felmerül. Például modellünk nem veszi figyelembe a testmozgás, a gyógyszerészeti (pl. Biszfoszfonát) vagy étrendi ellenintézkedések lehetséges alkalmazását, amelyek enyhítik a csontvesztést. Az ellenintézkedési stratégiák azon képességét, hogy mérsékeljék az űrhajósok BMD-vesztését az 1 évnél hosszabb missziókban, még nem tesztelték. Ebben a tekintetben további tanulmányok vannak az ellenintézkedések hatásairól, amelyekről ismert, hogy hatékonyak a 2. misszióban, szemben a Földön mért 9,81 m/s 2-vel), különös tekintettel arra, hogy a Marson való átszállás során a használaton kívüli időszakok vannak. Ugyanez a logika vonatkozik az űrhajósokra a Földre való visszatérés után, amikor a várható BMD veszteség feltehetően maximális.