Medicina spaziale
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La medicina aerospaziale è una branca relativamente nuova della medicina ed è nata negli anni '50, con studi di fisiopatologia animale, con i primi lanci di animali nello spazio. Il primo uomo nello spazio fu il russo Yuri Gagarin, però in seguito negli anni '60 gli americani arrivarono sulla Luna, missione Apollo 11. Negli anni '70 sono incominciati i voli della navicella spaziale space Shuttle per creare una stazione spaziale orbitante fissa.
Vivere e lavorare nello spazio non è semplice: la mancanza d'aria, l'assenza di gravità, le radiazioni e l'irraggiamento solare, l'igiene personale e le necessità fisiologiche, il nutrimento, la procreazione e tutte quelle attività umane connesse alla fisiologia dell'uomo, in microgravità cambiano.
La microgravità è un ambiente nel quale l'uomo vive in caduta libera, ossia in una situazione assimilabile a quella di un paracadustista che si lanci da 250 km d'altezza e ad una velocità di 27.000 km/ora. Per non perdere di vista le forze e i meccanismi d'azione che influiscono sul corpo, che è formato per il 90% di liquidi, bisogna pensare che il corpo in microgravità, è sottoposto come un satellite alle forze sia centripeta che centrifuga, che lo tengono in equilibrio su una propria orbita e vive sottoposto in costante piccola accelerazione di gravità ossia in assenza di peso, non è fermo e sospeso in una situazione statica come comunemente si fraintende ma sta precipitando in caduta libera.
Questo concetto è fondamentale e sta alla base della medicina spaziale sia sulle navette spaziali Shuttle che sulla stazione spaziale orbitante.
Dunque la microgravità come micro-ecosistema cade sotto la competenza di quasi tutte le branche della medicina. Per esempio, come ambiente di lavoro nel quale gli astronauti vivono, viene studiata dalla Facoltà di Igiene e di medicina del lavoro, perché all'interno l'ambiente è umido a causa del respiro degli astronauti e si inquina. Negli angoli della ISS, malgrado tutte le attenzioni, crescono muffe e abbondano colonie batteriche.
Le principale branche della medicina che studiano la microgravità sono la Clinica medica con la cardiologia, la pneumologia, l'immunologia, la neurologia. Altre specialità si aggiungono continuamente.
I principali cambiamenti durante la permanenza in microgravità, si verificano nei seguenti apparati:
- apparato cardiovascolare
- apparato muscolo scheletrico
- apparato respiratorio
- apparato emopoietico
- sistema immunitario
- apparato riproduttivo
- sistema nervoso
- ritmo circadiano
- apparato visivo
- sistema dell'equilibrio
- vita di relazione
Le alterazioni della fisiologia cardiovascolare, dei muscoli, della respirazione, del sistema immunitario e dell'apparato riproduttivo e nervoso sono reversibili, mentre le alterazioni delle ossa, se la permanenza nello spazio si protrae per mesi, diventano irreversibili. L'apparato emopoietico é sensibile alle radiazioni emesse durante le eruzioni solari e a seconda della quantità di radiazione ricevuta può essere reversibile o irreversibile.
[modifica] Storia
Nel 1951 iniziarono i primi lanci di animali nello spazio da parte dei russi, specialmente cani (fonte, Aleksandr Seryapin).
Nel 1957 i russi resero noto del lancio nello spazio dello Sputnik, con a bordo Laika, una cagnetta che fece commuovere tutto il mondo, perché il suo viaggio era stato programmato senza ritorno.
Anche i militari americani fecero esperimenti, mandando in orbita animali. Il più famoso è quello di una scimmietta, l'esperimento fu sospeso, perché la scimmia era stata cateterizzata troppo, per sapere tutto e quindi aveva incominciato a grattarsi, a strappare le sonde che le avevano inserito un po' dappertutto e a dare segni d'insofferenza talmente gravi da non essere più in grado di rispondere ai semplici comandi, ai quali era stata condizionata. Perciò la riportarono giù.
Lo scopo principale di questi primi esperimenti era sapere
- se le radiazioni nello spazio fossero così intense da essere mortali per l'uomo.
- come il corpo resistesse alle forti vibrazioni e alle forti accelerazioni e decelerazioni del lancio e del rientro.
- come il cuore reagisse alle sollecitazioni.
- l'adattamento del sistema circolatorio, ossia sapere quale fosse la pressione sanguigna in assenza di gravità.
Nel 1960 l'amministrazione Eisenhower decise la costituzione del National Aero Space Administration o NASA, l'ente spaziale americano, di cui Wernher von Braun fu il primo direttore.
Nel 1961, dopo molti mortali insuccessi, un pilota russo di velivoli sperimentali, Gagarin, tornò vivo, con tutti i dati che dimostravano che era possibile sopravvivere nello spazio.
Nel 1969, il 21 luglio, Neil Armstrong fu il primo uomo a mettere il piede sulla Luna, con la missione Apollo 11.
Nel 2005 non esiste una Facoltà di Medicina dello Spazio. Le conoscenze di medicina spaziale sono disseminate fra tutte le scuole di specialità attinenti. In Italia un insegnamento di medicina spaziale si svolge all’interno dell’ Aeronautica Militare.
[modifica] Caratteristiche dell'ecosistema microgravità
- accelerazione
- assenza d'aria
- assenza d'acqua
- buio e luce alternati con un periodo di poche ore
- ambiente ristretto
- freddo o caldo intensi
- assenza di rumore
Lo studio della fisiologia e della patologia del corpo umano in microgravità fa parte della medicina spaziale.
[modifica] Fisiologia della microgravità
A causa del fatto che nello spazio, le funzioni del corpo umano, di base, non sono normali, è improprio parlare di fisiologia, d'altronde, senza arrivare a parlare di patologia, si parla di adattamento.
[modifica] Patologia spaziale
Sulla Luna e nella navicella spaziale, in condizioni di assenza di atmosfera protettiva e o in condizione di microgravità si producono alterazioni delle funzioni corporali umane che sono ancora in fase di studio. Le alterazioni note sono:
- Alterazioni del sistema cardiovascolare
Nella navicella spaziale Space Shuttle e sulla Stazione spaziale orbitante si ha una un'inversione del normale clinostatismo, ossia della posizione del corpo rispetto al centro di gravità, il quale non esiste più e dunque la massa di liquido sanguigno si ridistribuisce in un modo diverso che sulla Terra. Mentre sulla Terra la gravità trattiene la maggior parte del liquido negli arti inferiori, nello spazio, non essendoci più la gravità, il liquido si accula nel piccolo circolo, ossia a livello del circolo polmonare e a livello della testa.
Conseguenze sono ritenzione idrica a livello polmonare e a livello del viso e del cervello.
I meccanismi di adattamento fanno in modo che tutto funzioni lo stesso però nelle foto si vede chiaramente questo fenomeno nella così detta facies lunare o viso gonfio, rotondeggiante e tendenzialmente rubizzo. Insomma gli astronauti vivono nello spazio come una persona che sulla Terra vivesse a testa in giù.
Quando tornano sulla Terra, i problemi avvengono nel momento del passaggio dalla microgravità alla gravità, ossia quando passano dal vivere a testa in giù e improvvisamente si capovolge tutto, ad una certa altezza la gravità inizia a farsi sentire e gli astronauti da appesi al seggiolino praticamente cadono sul seggiolino. Questo passaggio non è graduale perché viaggiano intorno a velocità di 27.000 chilometri all'ora. Il sangue dalla testa defluisce rapidamente negli arti inferiori e questo svuotamento improvviso del sangue dal cervello, provoca una caduta breve e temporanea delle funzioni cerebrali. Non è un vera e propria perdita di sensi, non avviene in tutti i componenti degli equipaggi ma qualcuno per qualche secondo non ci vede più e quando questo è successo al pilota dello Shuttle, le prime volte ha dato pensiero.
Il ritorno definitivo alla normalità comunque avviene in un paio di giorni.
Non esiste sulla Terra una patologia equivalente che provochi gli stessi sintomi.
[modifica] Alterazioni dell'apparato muscolo scheletrico
Nello spazio in microgravità, si ha perdita di massa muscolare e perdita di matrice ossea.
Questa perdita è causata dalla mancanza dello statatismo corporeo, che è un riflesso automatico che tiene in piedi l'uomo sulla Terra. I principali sensori di questo riflesso sono nella pianta dei piedi e nella gambe, dunque venendo a mancare la gravità, nello spazio è come se una persona stesse con i piedi per aria e quindi i muscoli non avendo più lo stimolo alla contrazione per mantenere l'equilibrio, essendo inattivi, si atrofizzano.
Un meccanismo d’azione simile a quello che agisce sui muscoli, si ha anche per le ossa e in microgravità, si attua un riflesso ormonale controllato dalla calcitonina, per cui l'osso diventa rarefatto, che in termini tecnici si dice osteoporosi.
Per contrastare il riassorbimento muscolare, gli astronauti sono invitati a fare molta ginnastica, ossia andare in bicicletta ma molti non lo fanno o lo fanno poco, per cui al ritorno sulla Terra, si sentono deboli e hanno bisogno di fare la riabilitazione fisica. L'osso è una struttura complessa formata da cellule che producono osso, gli osteoblasti e da cellule che lo distruggono, gli osteoclasti. Queste cellule sono appoggiate su una struttura trabecolare a base di calcio, che è la matrice ossea. Quando la matrice ossea viene distrutta, è come la ruggine su un pezzo di ferro, non si reintegra più.
Questa patologia è comune nelle persone anziane e si chiama osteoporosi. L'osteoporosi spaziale colpisce tutti gli astronauti, dissipando dal 30 al 70% dell'osso, a seconda della lunghezza del periodo passato nello spazio. È un fenomeno imponente e preoccupante che ha colpito tutti gli astronauti russi che sono rimasti nello spazio per periodi più lunghi di tre mesi.
Questa è la principale limitazione attuale ad un viaggio spaziale verso Marte, che altrimenti sarebbe già stato fatto; von Braun presentò un progetto completo e particolareggiato, fin dal 1951.
È attualmente (2005) allo studio la somministrazione di farmaci ormonali, tipo la calcitonina per diminuire la portata di questa patologia ma per esempio negli anziani dà scarsi risultati.
[modifica] Alterazioni dell'apparato respiratorio
Oltre la congestione polmonare, che nei primi giorni di permanenza causa un disturbo respiratorio, con sensazione di soffocamento in alcuni astronauti ma poi per i meccanismi di adattamento si risolve spontaneamente, l'aumento di liquido nella testa, provoca una congestione a livello nasale, con parziale ostruzione e corizza, che è un raffreddore senza infezione batterica o virale. Fastidiosa e molto accentuata per alcuni, quasi inesistente per altri. Guarisce al ritorno, quasi istantaneamente al momento del ritorno in gravità normale.
[modifica] Alterazioni del sistema eritropoietico
I ricercatori stanno facendo la lista di quali parti del corpo di un astronauta che sono più sensibili alle eruzioni solari. Gli astronauti all'interno di una struttura spaziale sembrano abbastanza schermati dalle radiazioni emesse dal Sole, specialmente durante le eruzioni solari ma gli astronauti protetti dalla sola tuta spaziale sono molto esposti alle radiazioni del Sole durante un'eruzione solare.
[modifica] Storia
Nel novembre del 1969, durante la missione Apollo 12 sulla Luna, si ebbe uno dei primi drammatici avvisi, da parte del controllo della missione, di correre al riparo nel modulo lunare, per l’imminente inizio di un’eruzione solare.
Erano fuori, nell’ Oceanus Procellarum, l’astronauta Charles "Pete" Conrad che stava fotografando l’attività di raccolta di campioni del terreno lunare di Alan Bean. Improvvisamente, sopra la sua spalla, ci fu un flash di luce solare.
Nelle cuffie della radio improvvisamente risuonò una voce:
"L'esploratore 1, rientri. Dal controllo della missione."
Esploratore 1 disse:
"Che cosa c’è, lassù?"
Controllo della missione:
"C’è stata una grande eruzione solare. Dovete mettervi al coperto. La tempesta delle radiazioni potrebbe cominciare entro poco tempo, al massimo 10 minuti."
Esploratore 1:
"Roger. Ora mi dirigo verso il modulo lunare. Qualche suggerimento?"
Controllo di missione:
"Sì. Assicuratevi di proteggere le vostre anche."
- Proteggere le vostre anche?
E’ giusto. La protezione delle anche può essere la chiave di sopravvivenza alle tempeste solari.
[modifica] Eritropoiesi ed eruzioni solari
Oltre le anche, altre zone sensibili sono le spalle, la spina dorsale, le ossa delle cosce, lo sterno ed il cranio.
Perché questa lista scombinata di parti del corpo?
Le ossa in queste zone contengono il midollo osseo eritropoietico, "la fabbrica del sangue" del corpo umano.
Le delicate cellule del midollo osseo sono particolarmente vulnerabili alle tempeste solari; una dose importante dei protoni solari che scorrono attraverso il corpo può ripulire fuori tutte le cellule eritropoietiche. E senza queste cellule del midollo che formano il sangue e che buttano nel torrente circolatorio un flusso costante di nuove cellule di sangue, i così detti globuli rossi o eritrociti, una persona diventerebbe anemica entro una settimana. Un trapianto del midollo osseo sarebbe opportuno ma non si può fare nello spazio.
Per sopravvivere alle radiazioni di una tempesta solare, la prima priorità deve essere proteggere il midollo osseo eritropoietico. La sopravvivenza all'emissione di radiazione durante le tempeste solari è più importante che mai, specialmente dopo che la NASA ha deciso di mandare di nuovo gente sulla luna entro il 2018. Fuori della protezione del campo magnetico della Terra e con nessuna atmosfera ambientale di protezione, un astronauta che cammina sulla superficie lunare o che lavora nello spazio al di fuori della stazione orbitante, è esposto in modo massiccio al flusso principale delle tempeste solari.
La soluzione migliore è mettersi al riparo delle strutture ma se il riparo è troppo lontano per poterlo raggiungere a tempo, è necessario portare una tuta spaziale con una protezione supplementare alle radiazioni che protegga le zone ricche di midollo rosso come le spalle, le anche, la spina dorsale, e ciò può significare la differenza fra vivere e morire.
Applicare all'intero della tuta spaziale una protezione supplementare potrebbe non essere pratico, perché la tuta spaziale diventerebbe troppo ingombrante. Gli astronauti devono potere camminare, saltare, piegarsi, estendersi per afferrare oggetti ed attrezzi. Troppa protezione renderebbe questi semplici movimenti, impossibili, quindi l'idea di una protezione selettiva. Uno strato di plastica come il polietilene, spesso soltanto 1 centimetro, posto nei punti chiave, può impedire la malattia acuta di radiazione.
Per tutte le eruzioni solari questo è abbastanza per mantenere il sistema sanguigno dell'astronauta intatto. Se soltanto il 5% delle cellule del midollo osseo sopravvive, il midollo osseo potrà rigenerarsi e la persona sopravvivrà, senza nessun trapianto. Un astronauta, così schermato, potrebbe sviluppare solo problemi di salute a lunga scadenza: cancro, cataratte ed altre malattie. Nessuna tuta spaziale può arrestare tutti i protoni solari ma se il rifornimento di sangue sopravvive, l'astronauta sopravvive anche abbastanza a lungo da potersi preoccupare per il lungo termine.
Un campione di sangue da un astronauta di ISS che è stato danneggiato tramite radiazione dello spazio. I fili "verniciati" con la tintura fluorescente sono cromosomi danneggiati. L'immagine mostra parti colorate in modo differente attaccate insieme a parti non colorate. Queste parti colorate mettono in rilievo i punti dove il DNA rotto è stato riparato in modo errato dalla cellula. Solitamente queste cellule rotte vengono riconosciute dal sistema immunitario e spazzate via ma anche il sistema immunitario è fatto da cellule sensibili alle radiazioni e in mancanza di queste cellule, la cellula alterata invece di essere spazzata via, prolifera in modo abnorme, provocando tumori a distanza di tempo.
[modifica] Alterazioni del sistema immunitario
L'alterazione del sistema immunitario è una diminuzione delle difese, ci si aspettava che fosse causata dalle radiazioni, invece negli astronauti è causata da stress.
[modifica] Alterazioni dell'apparato riproduttivo
Le alterazioni dell'apparato riproduttivo sono state studiate in vitro. Si è visto che lo spermatozoo e l'ovulo, quando incominciano a moltiplicarsi, non riescono a formare una struttura di suddivisione ordinata, che si chiama fuso, per cui la distribuzione della materia cellulare e dei cromosomi, avviene in modo caotico, concettualmente paragonabile alle produzioni tumorali.
[modifica] Alterazioni del sistema nervoso
Le alterazioni del sistema nervoso non sono imponenti come la consunzione muscolare e l'osteoporosi, però sono causa di problemi che si ripercuotono, sia sull'attività lavorativa che nei rapporti con i colleghi.
- Alterazioni del ritmo giornaliero circadiano
La navetta gira in orbite attorno alla Terra, ad una velocità talmente elevata, che si vede sorgere e tramontare il Sole molte volte nel giro delle 24 ore. La vista di questo affascinante spettacolo prende molto tempo ad un astronauta ma ben presto si trasforma in una tortura perché al momento di andare a dormire, sorge il Sole, mentre dorme sorge il Sole almeno altre due tre volte. La pelle umana è sensibile alla luce del Sole e all'alba è quella che da il segnale del prossimo risveglio, dunque gli astronauti hanno questo segnale in eccesso e la maggior parte di loro dorme male.
L'altro problema legato al sonno è che quando una persona si sdraia i muscoli si rilassano e una persona si addormenta. In microgravità manca questo appoggio nel letto, gli astronauti per non galleggiare qua e là, dormendo, sono costretti a legarsi al letto con delle cinghie e per alcuni è insopportabile. Insomma dormono a testa in giù, scomodissimi, come dei pipistrelli
- Il sistema dell'equilibrio
L' organo dell'equilibrio si trova nell' orecchio interno vicino all' organo uditivo. In questa struttura ossea ci sono due formazioni, una i canali semicircolari che è deputata a dare le informazioni sulla posizione della testa nello tre dimensioni dello spazio, l'altra l' utricolo con gli otoliti è deputata a dare informazioni di accelerazione e decelerazione.
Nello spazio questi sistemi, che sono ancorati alla gravità, si adattano a funzionare in un altro modo.
L'adattamento è soggettivo e al rientro alcuni astronauti hanno le vertigini.
- Alterazioni della vita di relazione
Una persona, dormendo la notte sulla Terra, produce sostanze che influenzano l'umore. Chi dorme poco, produce poche di queste sostanze, diventando irritabile o perfino collerico. Un'insonnia cronica invece comporta gravi disturbi dell'umore, che vanno dall'euforia alla depressione.
Alcuni astronauti vanno più soggetti di altri a questa patologia che comunque guarisce da sé, quando si ritorna ad abitudini normali di sonno.
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