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)