Projekt BIOPSY

To, že ve vesmíru dochází v důsledku pobytu v prostředí mikrogravitace k ubývání svalové hmoty a také síly, je dostatečně známo řadu let. Jak však tento jev vypadá na buněčné úrovni? To bylo tématem studie vědců z Marquette University v Milwaukee ve Wisconsinu. Ti pro astronauty na Mezinárodní kosmické stanici připravili experiment s názvem "BIOPSY", neboli Vliv dlouhodobého kosmického letu na lidský kosterní svalový systém.  Realizace tohoto projektu začala v roce 2002, expedicí 5 a skončila v roce 2005, expedicí 11. Výsledky studie pak byly publikovány v časopisech Journal of Applied Physiology a  Gravitational and Space Biology.  
Vědci zkoumali vzorky svalové tkáně lýtkového svalu, které byly astronautům odebrány před startem a po ukončení pobytu na Mezinárodní kosmické stanici. Cílem studie bylo napomoci k vývoji protiopatření, proti účinkům pobytu mikrogravitaci na svalový systém. Šlo o to, vyvinout takový cvičební program, jehož účelem je udržet svaly ve vrcholné kondici i během dlouhodobého kosmického letu.

Znalosti, získané z tohoto výzkumu nejsou důležité jen kvůli ubývání svalové hmoty a síly. Ukazuje se totiž, že dochází k takovému narušení struktury a funkčnosti svalu, které může po návratu z vesmíru, nebo po přistání např. na Marsu, vést i ke zranění. Data z tohoto experimentu jsou využívána k ilustraci strukturálních a metabolických změn, ke kterým dochází mezi jednotlivými svalovými buňkami. Vědci na základě těchto poznatků k sobě skládají jakési dílky modelu, který popisuje stupeň svalové degradace ve vesmíru v průběhu času, který bude použit k predikci rizik dlouhodobých kosmických letů.

V rámci studie byla věnována pozornost změnám objemu lýtkového svalu, jeho výkonnosti a fyziologii a mikroanatomii a to v obdobích před startem a po návratu z mise. Získaná data ukázala redukci objemu lýtkového svalu i jeho výkonnosti, to platí jak pro vlákna pomalá, tak pro vlákna rychlá. Ukázalo se, že dochází k poklesu svalové výkonnosti, kombinovanému s fyziologickými a anatomickýmí změnami, jako je zejména přeměna rychlých svalových vláken, na svalová vlákna pomalá, pokles density (hustoty) svalových vláken a zmenšení celkového svalového objemu.

Výzkum ukázal, že cvičení není dostatečným protiopatřením. Fyziologické změny, ke kterým ve svalových vláknech dochází, mohou vést k jejich nedostatečné výkonnosti, což může vyústit až v poranění svalu - tedy, to může negativně ovlivnit úkoly, které mají býti v rámci mise plněny. Po mnoha ISS misích a dlouhodobých pobytech na lůžku (bedrest studiích) v poslední dekádě, a nyní také na základě dat z projektu BIOPSY Bylo na ISS přidáno druhé zařízení COLBERT (Combined Operational Load-Bearing External Resistance Treadmill) a bylo vylepšeno zařízení ARED (Advanced Resistive Exercise Device). Tato opatření umožňují zvýšit efektivitu cvičení. A nutno dodat, že na základě nově získaných poznatků se také změnila samotná metodika cvičení.

A nyní už se dostáváme k tomu, proč tento výzkum zajímá také lékaře, kteří léčí nás, běžné pacienty na Zemi. Jak roky ubíhají a my stárneme, naše svaly tíhnou ke ztrátě elasticity. Studie ukazují, že od 40 let věku dochází v průměru k 5% ztrátě svalové hmoty za deset let a její nahrazování tukovou tkání. Po 65 roku života je tato ztráta ještě výraznější. Prevalence sarkopenie (ztráta svalové hmoty) ve věku nad 80 let překračuje 60 %. Sarkopenie úzce souvisí s věkem, ale může být akcelerována množstvím dalších faktorů včetně inaktivity, nedostatečné výživy či chronických onemocnění.

Věkem podmíněná ztráta svalové hmoty je pomalý, ale nezadržitelně progredující proces s nežádoucími důsledky pro další kvalitu života. Oslabení svalové síly výrazně přispívá ke snížení fyzické aktivity, zvyšuje se riziko pádů a četnost zlomenin potenciací procesu osteoporózy, klesá výkonnost dýchacích svalů, snižuje se bazální metabolismus a glukózová tolerance, zhoršuje se termoregulace. Výsledkem je ztráta soběstačnosti starého člověka a jeho závislost na pomoci okolí. Sarkopenie je důležitou příčinou „křehkosti“ seniorů, významně se podílí na morbiditě a mortalitě ve stáří, zvyšuje počet komplikací léčby, prodlužuje dobu hospitalizace a tím přispívá k růstu nákladů za zdravotní péči.
Výsledky studie BIOPSY, tedy poskytnou také lepší porozumění svalové atrofii, ke které dochází u starých, či závažně nemocných lidí na Zemi.

(Foto + Zdroje: NASA,ESA; Fitts RH, Colloton PA, Trappe SW, Costill DL, Bain JL, Riley DA. Effects of prolonged spaceflight on human skeletal muscle enzyme and substrate profiles. Journal of Applied Physiology. September 1, 2013; 115(5):667-679. doi: 10.1152/japplphysiol.00489.2013.;
Bagley JR, Murach KA, Trappe SW. Microgravity-induced fiber type shift in human skeletal muscle. Gravitational and Space Biology. 2012;26:34-40.; 
Fitts RH, Trappe SW, Costill DL, et al. Prolonged spaceflight-induced alterations in the structure and function of human skeletal muscle fibers. Journal of Physiology. 2010;588:3567-3592. doi: 10.1113/jphysiol.2010.188508.; 
Trappe SW, Costill DL, Gallagher PM, et al. Exercise in space: Human skeletal muscle after 6 months aboard the International Space Station. Journal of Applied Physiology. January 15, 2009; 106: 1159-1168. doi: 10.1152/japplphysiol.91578.2008.
http://is.muni.cz/elportal/estud/fsps/js07/fyzio/texty/ch03.html
MUDr. Dana Hrnčiariková, MUDr. Božena Jurašková, Ph. D., prof. MUDr. Zdeněk Zadák, CSc.; Sarkopenie ve stáří: Lékařské listy, 12/2008: http://zdravi.euro.cz/clanek/priloha-lekarske-listy/sarkopenie-ve-stari-389728)

Kosmická technologie pro létající kočky

Ve článku "Na palubě létající nemocnice", který vyšel na webu Armádní Noviny, jsme se podívali do zákulisí práce Critical Care Air Transport Teamu amerického letectva. Létající kočky (od zkratky CCATT), se zabývají odsunem/medicínskou evakuací těžce raněných vojáků z oblastí válečných konfliktů do vojenských nemocnic tzv. vyšší "ROLE". Přepravují např. pacienty z Afghánistánu do vojenské nemocnice v německém Rammsteinu. Pacienti, mnohdy ve velmi vážném stavu, jsou přepravováni letadlem C17-Globemaster III. Během celého transportu jim je věnována intenzivní péče a  jsou monitorovány jejich fyziologické funkce. K tomu je využívána ta nejmodernější lékařská technologie. Technologie, která musí být skladná, spolehlivá, univerzální, snadno přepravitelná a bezpečná.

Proto ani nepřekvapí, že některé z nejmodernějších lékařských přístrojů, které tým CCATT používá, byly vyvinuty v laboratořích

NASA. Astronauti, nejen na palubě Mezinárodní kosmické stanice, ale také budoucí členové mise na Mars, budou potřebovat skladné a kompaktní zařízení, které bude v případě nouze použitelné pro monitoring a podporu životních funkcí těžce raněného, či těžce nemocného astronauta. A tak vědci ze skupiny pokročilých projektů NASA vyvinuli speciální zařízení s názvem Lightweight Trauma Module (LTM). Zařízení v sobě integruje plicní ventilátor, EKG, snímač pro měření saturace kyslíku a oxidu uhličitého, tělesné teploty a má možnost připojení další lékařské techniky. Veškerá data o aktuálním zdravotním stavu mohou  být telemedicínsky přenášena k lékařům do řídícího střediska.
Technologie LTM se osvědčila a nyní je využívána právě při dálkových aeromedicínských transportech zraněných vojáků z fronty.
(Zdroje a foto: NASA, USAF)

 

PUMA chrání astronauty, hasiče, i vážně nemocné

Práce na palubě Mezinárodní kosmické stanice, v prostředí mikrogravitace a výstupy do volného kosmického prostoru , kladou mimořádné nároky na organismus astronautů. Jednak jsou ohroženi postupným ubýváním fyziologických rezerv organismu (tzv. deconditioningem) a také jsou ohroženi akutním selháním techniky či zdravotního stavu při nebezpečných výstupech do volného kosmického prostoru (tzv. EVA-Extra Vehicular Activity). To byl také důvod, který vedl Glennovo kosmické středisko NASA ke spolupráci s Case Western University a Cleveland Clinic, v rámci které vyvinuli zařízení PUMA - neboli Portable Unit for Metabolic Analysis. PUMA je miniaturizovaná jednotka pro vysoce přesný monitoring metabolických parametrů, jako je spotřeba kyslíku, výdej kysličníku uhličitého, měření tepové a dechové frekvence, tělesné teploty a dalších a to vše v reálném čase. Samotné zařízení je miniaturizované a velmi skladné a proto se dá využívat v celé řadě situací a prostředí. Kromě astronautů je určeno pro monitoring zdravotního stavu bojových pilotů, potápěčů, horolezců, hasičů ale také pacientů ve špatném zdravotním stavu. Tato technologie je vhodná např. pro monitoring pacientů s chronickou obstrukční plicní nemocí, tzv.CHOPN, kdy je třeba velmi ostražitě hlídat efektivitu podávání kyslíku.

(foto: NASA)

Kosmická technologie vylepšuje operační metody v neurochirurgii

Experti z laboratoře tryskového pohonu NASA (NASA-JPL) mají, díky práci na Marsovských roverech, bohaté zkušenosti s 3D optikou. Této skutečnosti si byl vědom neurochirurg Hrayr Shananian ze Skull Base Institute, který pracoval na vývoji 3D endoskopické technologie, která je určena pro minimálně invazivní operace mozku. Výsledkem šesti let vzájemné spolupráce pak bylo zařízení, zvané MARVEL: Multi-Angle Rear-Viewing Endoscopic tool, neurochirurgický 3D endoskop, umožňující trojrozměrný pohled v operačním poli milimetrových rozměrů. Obecně se dá říci, že zařízení umožňuje šetrnější postup operací, zvyšuje jejich bezpečnost a umožňuje rychlejší rekonvalescenci pacientů.  

(Foto: Skull Institute, NASA-JPL)

SpaceX a nové experimenty na ISS

8.4. poběhl úspěšný start raketového nosiče Falcon - 9, společnosti SpaceX s nákladní kosmickou lodí Dragon. Tato mise je zajímavá z mnoha hledisek. Podařilo se, že návratový stupeň nosné rakety, poprvé v historii po splnění úkolu, "poslušně" zaparkoval na plovoucí plošině na Zemi. Zajímavým však byl i náklad. Dragon totiž na ISS dopravil nafukovací modul společnosti Bigelow. Ale tím výčet zajímavostí nekončí. Důležitou součástí nákladu bylo také vybavení pro velmi zajímavé lékařsko-biologické experimenty.

Jednak jde o laboratoř WetLab, určenou pro výzkum molekulárních a buněčných mechanismů úbytku svalové a kostní hmoty a také imunitních změn a mikrobiální virulence. Atrofie svalů je nosným tématem experimentu Rodent - 3.

Tento výzkumný projekt se zaměřuje na vývoj protiopatření a léčebných metod, spojených s problematikou svalové atrofie. Tyto metody mají pomoci nejen astronautům při dlouhodobých kosmických misích, ale také lidem na Zemi, kteří trpí chorobami pohybového ústrojí a čelí následkům zranění. 

(Foto: NASA)