ENGAGE: Perché gli astronauti in orbita devono allenarsi tutti i giorni?

Nuovo “esperimento” IBSE. La prossima settimana inizio il sistema scheletrico e muscolare in quarta. L’anatomia e la fisiologia non sono facili da affrontare con un approccio di inquiry diretto, almeno non a scuola, ma si può comunque sviluppare alcune delle abilità proprie dell’inquiry anche lavorando, ad esempio, sui modelli. Girando girando in rete sono riuscita a farmi venire qualche idea. Il mio percorso inizia, naturalmente, dalla fase di engage.

Il sistema muscolare-scheletrico permette al corpo umano di muoversi e di esercitare forze nell’ambiente. Mentre sulla Terra questo sistema deve sostenere il peso del corpo e le ossa sono sempre sotto carico a causa della forza di gravità, in assenza di peso tutto questo non succede. Quando gli astronauti sono in orbita il peso che il corpo deve sostenere è quasi uguale a zero, il sistema muscolo-scheletrico non viene quindi caricato e qualunque azione è poco faticosa. La conseguenza della permanenza in condizioni di microgravità (la totale assenza di gravità o gravità zero è una situazione solo teorica) è quindi la perdita di tessuto osseo e muscolare.

Struttura e funzione dell’osso

Il tessuto osseo è un tessuto dinamico che reagisce alla malattia e alle lesioni e si autoripara. L’osso ha sia una componente organica che inorganica. La componente organica è composta principalmente da collagene e di fibre elastiche. L’idrossiapatite è la componente inorganica ed è un minerale ricco di calcio che indurisce e rafforza il collagene. Insieme, le due componenti dell’osso creano una struttura scheletrica robusta ma flessibile.

Il corpo distrugge continuamente l’osso vecchio e lo sostituisce con tessuto nuovo. L’osso è formato da tre tipi di cellule: osteoblasti, osteociti e osteoclasti. Gli osteoblasti sono le cellule che depongono nuova matrice minerale sulla superficie dell’osso. Gli osteociti hanno un ruolo di mantenimento mentre gli osteoclasti, cellule con più nuclei, distruggono il tessuto osseo vecchio e sono in parte responsabili anche del rilascio del calcio nel sangue. In un individuo sano, sulla Terra, l’osso si forma alla stessa velocità con cui viene demolito, così non c’è mai una perdita complessiva di massa ossea. Questo processo si modifica mentre una persona invecchia o si trova in condizioni di microgravità per un periodo di tempo prolungato.

L’osso, ad eccezione delle zone dove collegate a legamenti, tendini o cartilagine, delle superfici articolari e dei fori nutritizi, è rivestito da una membrana di tessuto connettivo chiamata periostio. Le ossa lunghe, come ad esempio l’omero o il femore, sono costituite da una porzione centrale chiamata diafisi e due estremità ingrossate dette epifisi.

La parte più esterna dell’osso è costituita da osso compatto, chiamato così perché di consistenza densa. Nella diafisi l’osso compatto circonda una cavità attraversata da midollo osseo giallo, un tessuto costituito principalmente da grasso trasportato dal sangue e immagazzinato all’interno dell’osso.

La parte interna delle due epifisi, invece, è costituita da osso spugnoso, chiamato così perché di consistenza porosa, simile a quella di una spugna.

Le cavità dell’osso spugnoso contengono il midollo osseo rosso, un tessuto specializzato nella produzione delle cellule del sangue. Nei punti di contatto con altre ossa, le epifisi sono protette da cuscinetti di cartilagine.

L’osso è attraversato da vasi sanguigni (arterie e vene) che trasportano sostanze nutritive, ossigeno e ormoni regolatori e allo stesso tempo rimuovono i rifiuti.

I nervi corrono parallelamente ai vasi sanguigni e contribuiscono a regolare gli scambi di sostanze tra osso e sangue.

Sulla Terra, le ossa svolgono quattro funzioni principali:
– supporto meccanico:
 lo scheletro supporta i tessuti molli e il peso del corpo. Molte ossa possono anche agire da leve per i muscoli permettendo il movimento;

riserva di nutrienti essenziali: le ossa immagazzinano la maggior parte del calcio che ricevono dalla dieta. Il calcio è accumulato sotto forma di idrossiapatite. Il corpo mantiene costante la concentrazione del calcio assorbendolo dall’osso e rilasciandolo nel sangue. Questo livello costante di calcio nel sangue permette un appropriato funzionamento nervoso, muscolare ed endocrino, come anche altre attività cellulari (per esempio la coagulazione del sangue). Dal sangue, il calcio viene portato ai diversi organi e sistemi del corpo. Quando il corpo assorbe troppo calcio dalle ossa, lo scheletro può diventare sottile e debole. L’osso è anche una buona fonte di fosfato, idrogeno, potassio e magnesio. Come il calcio questi minerali vengono usati da vari sistemi del corpo per molti scopi;

produzione di sangue: oltre ai minerali essenziali, l’osso è anche il sito di immagazzinamento del midollo. Il midollo è importante per la formazione e lo sviluppo di globuli rossi, globuli bianchi e piastrine;

protezione: lo scheletro custodisce e protegge il cervello, la colonna vertebrale e i nervi. Molte ossa, specialmente le costole, proteggono gli organi interni.

Perdita ossea

Il rimodellamento della struttura ossea e/o la perdita di tessuto osseo durante un volo spaziale si verifica al ritmo dell’1-2% al mese e dopo sei mesi nello spazio i sintomi dell’osteoporosi degli astronauti sono simili a quelli riscontrati nelle donne anziane sulla Terra. Nel tempo, infatti, il calcio che normalmente è accumulato nelle ossa, viene mobilizzato e rilasciato nel sangue. La quantità di calcio trovato nel sangue degli astronauti durante le missioni spaziali è molto maggiore di quella sulla Terra e riflette la diminuzione della densità ossea. Questa diminuzione di densità, nota come osteoporosi da mancanza d’uso (simile a quella osservabile sulla Terra in caso di prolungata immobilità) indebolisce le ossa e le rende meno in grado di sostenere il peso del corpo e il movimento una volta tornati a Terra. In condizioni di microgravità le ossa portanti, come colonna vertebrale, bacino e arti inferiori, sono quelle maggiormente colpite e dopo una missione di sei mesi è stata riportata una perdita di massa ossea fino al 20%. Gli astronauti che ritornano da una missione nello spazio di lunga durata sono, quindi, a rischio di fratture e di conseguenza sono sottoposti ad attenzioni e cure specifiche. Gli astronauti ripristinano la maggior parte della loro massa ossea nei mesi seguenti il rientro dallo spazio, anche se non recuperano del tutto.

Il meccanismo esatto che causa la perdita di calcio in microgravità è ancora sconosciuto. Molti scienziati ritengono che la microgravità determini un aumento della velocità di distruzione del tessuto osseo rispetto a quella con cui l’osso viene invece deposto. Tuttavia, ancora non è noto cosa inneschi questo cambiamento di velocità. La ricerca sta lavorando su più fronti (livelli ormonali, dieta, esercizio fisico) per determinare la causa esatta dell’osteoporosi durante i voli spaziali e poterla così controllare o prevenire. L’osteoporosi degli astronauti, infatti, rappresenta uno dei maggiori ostacoli al progresso dei programmi spaziali, poiché sarebbe molto pericoloso esporli a permanenze molto lunghe in microgravità. Per andare e tornare da Marte, per esempio, attualmente ci vorrebbero circa sedici mesi e questo è un tempo sufficiente per causare gravi danni all’apparato osteo-articolare degli astronauti.

Perdita muscolare

L’atrofia muscolare deriva dalla mancanza di attività impegnative dal punto di vista fisico (camminare, salire le scale, sollevare oggetti…) e dalla mancanza di carico dei muscoli posturali. Nelle missioni brevi è stata osservata una perdita muscolare del 10-20 % e, se non vengono prese contromisure, questo potrebbe arrivare fino al 50% nelle missioni di lunga durata. Ciò potrebbe compromettere l’abilità degli astronauti di svolgere specifiche attività che richiedono sforzo fisico durante la missione (per esempio le attività extraveicolari) e dopo l’atterraggio (per esempio l’uscita in condizioni di emergenza). Tutto ciò porta anche fastidi: gli astronauti si sono lamentati spesso di dolore alla parte bassa della schiena, che sembra essere conseguenza dell’atrofia dei muscoli posturali.

Ricerca e sviluppo

La ricerca non si focalizza solo sulla comprensione del fenomeno e sullo studio delle modificazioni nella struttura ossea (EDOS), ma anche su soluzioni preventive e sulle procedure riabilitative. Gli astronauti, infatti, passano molto tempo esercitandosi per mantenere la salute di ossa e muscoli.  Vengono continuamente sviluppati nuovi metodi e sono stati realizzati specifici dispositivi per l’allenamento (FWED-PEMS) e il monitoraggio (MARES). Tutto ciò può avere un ritorno molto positivo sulle misure di prevenzione e trattamento di indicazioni simili sulla Terra.

Per fissare le idee:

Fonti consultate:

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