La contrazione muscolare antagonista stimolata elettricamente ha aumentato la massa muscolare e la densità minerale ossea di un astronauta – Verifica iniziale sulla Stazione Spaziale Internazionale

Introduzione

È risaputo che tra gli astronauti si verifica un'atrofia del sistema muscolo-scheletrico dovuta al disuso. Ad esempio, l'atrofia dei muscoli e delle ossa degli astronauti in assenza di gravità è evidente [1, 2]. Il termine "sarcopenia" è ampiamente utilizzato per indicare la debolezza e l'atrofia muscolare, sebbene inizialmente si riferisse all'atrofia dovuta all'invecchiamento. Tuttavia, questa sarcopenia iniziale è stata classificata come sarcopenia primaria, mentre tutte le altre forme di debolezza e atrofia muscolare sono state incluse nella sarcopenia secondaria dal Rapporto del Gruppo di lavoro europeo sulla sarcopenia negli anziani del 2010 [3]. L'atrofia muscolare da inutilizzo è classificata come sarcopenia secondaria e spesso la sperimentiamo come risultato di una riduzione dell'attività, come nel caso di un paziente clinicamente allettato. La gravità zero è stata inclusa come causa di inutilizzo e classificata come sarcopenia secondaria in questa categorizzazione del 2010.

Dopo voli di breve durata dello Space Shuttle della durata di 5-17 giorni, è stata segnalata una diminuzione del volume muscolare del 4-16% e della forza del 9-11% [4-6]. Soggiorni di 16-28 settimane sulla Stazione Mir hanno comportato variazioni del volume del 12-20% [7]. È stato inoltre riportato che il volume dei muscoli gastrocnemio e soleo è diminuito rispettivamente del 10% e del 15%, e che la potenza di picco dei flessori plantari è diminuita del 32% in nove soggetti dopo circa 6 mesi sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) [8].

Gli astronauti mostrano solitamente una diminuzione della densità minerale ossea (BMD) a livello dell’anca e della colonna lombare compresa tra l’1,0% e l’1,5% al mese [2,9,10]. Questo dato evidenzia il tasso accelerato di perdita di BMD durante il volo spaziale, in netto contrasto con il tasso tipico di perdita ossea correlato all’età, compreso tra lo 0,5% e l’1,0% all’anno, riscontrato negli individui anziani sulla Terra [2]. Il rischio di fratture è particolarmente preoccupante in caso di riesposizione a carichi meccanici, come durante l'esplorazione di un pianeta sconosciuto o il ritorno al campo gravitazionale terrestre. Inoltre, il decondizionamento scheletrico cumulativo potrebbe aumentare il rischio di osteoporosi prematura e di fratture in età avanzata.

Tali deterioramenti del sistema muscolo-scheletrico rappresentano una delle principali problematiche per un soggiorno a lungo termine nello spazio, e sono state sviluppate diverse contromisure, la cui efficacia è stata documentata [1,2,11–14]. Riguardo a queste contromisure, il rapporto sulle evidenze del Programma di Ricerca Umana della NASA descrive quanto segue [15]. In alcune missioni Apollo è stato utilizzato un attrezzo ginnico molto semplice, costituito da corde di nylon che ruotavano attorno a un albero all'interno di un cilindro. Dopo la prima missione con equipaggio verso lo Skylab 2 (il progetto Skylab fu la prima stazione spaziale orbitale degli Stati Uniti), fu reso disponibile un attrezzo commerciale, denominato “Mini Gym”, ampiamente modificato e designato “MK-I”, in grado di trasmettere la forza su braccia, tronco e gambe. I dispositivi per l'esercizio fisico sviluppati successivamente fornivano carichi tramite molle di estensione o corde elastiche. Nella fase iniziale del programma ISS, è stato utilizzato il dispositivo provvisorio per l'esercizio resistivo (Resistive Exercise Device), un'attrezzatura basata su elastomeri. Una versione ulteriormente sviluppata, denominata dispositivo avanzato per l'esercizio resistivo (ARED), è stata consegnata alla ISS nel 2010 ed è attualmente in uso. L'ARED fornisce carichi regolabili fino a 600 libbre prodotti da contenitori sottovuoto per consentire una forza costante e da volani inerziali per simulare i carichi inerziali che si sperimenterebbero utilizzando pesi liberi a gravità 1-G. Pertanto, lo sviluppo delle contromisure è avanzato e l'ARED, in particolare, ha fornito buoni risultati. Tuttavia, l'ARED occupa molto spazio ed è difficile da utilizzare su una piccola navicella spaziale, che sarà indispensabile per le missioni sulla Luna, la creazione di una base lunare e i viaggi interplanetari su Marte. Inoltre, nell'ISS è presente un solo sistema ARED e, di conseguenza, gli astronauti a bordo non possono allenarsi contemporaneamente. Se l'ARED si guasta, si tratta di un grave problema.

Abbiamo sviluppato un dispositivo di allenamento compatto denominato “sistema di allenamento ibrido” (HTS), progettato per mantenere il sistema muscolo-scheletrico degli astronauti utilizzando un antagonista stimolato elettricamente per opporre resistenza alla contrazione volontaria dei muscoli agonisti (Fig. 1) [16–22]. L'HTS, che utilizza la forza dell'antagonista stimolato elettricamente come resistenza al movimento articolare al posto della gravità, fa sì che i muscoli stimolati elettricamente forniscano resistenza al movimento di un muscolo antagonista sottoposto ad allenamento. In altre parole, la stimolazione elettrica viene applicata al muscolo antagonista durante il movimento articolare; il muscolo antagonista stimolato elettricamente si contrae in modo eccentrico e la sua tensione diventa una resistenza per il muscolo agonista. Durante l'allenamento HTS, sia i muscoli di flessione che quelli di estensione si contraggono simultaneamente, e questi muscoli in contrazione applicano un carico di forza longitudinale sull'osso che si trova in mezzo. Numerosi esperimenti a terra [16–21] e una verifica in volo parabolico [22] hanno dato risultati incoraggianti riguardo alla possibilità di utilizzo da parte degli astronauti, ma, finora, non è stata condotta alcuna valutazione nello spazio.

In questo esperimento, come verifica iniziale sulla ISS, l'HTS è stato utilizzato per quattro settimane su uno degli arti superiori di un astronauta (il braccio non dominante) e la forza muscolare, la massa e la BMD risultanti sono state confrontate con quelle del braccio non sottoposto a HTS (il braccio dominante) per esaminarne la capacità operativa orbitale e l'utilità, nonché l'effetto preventivo dell'HTS sull'atrofia muscolo-scheletrica di un astronauta in assenza di gravità.

Materiali e metodi

Dichiarazione etica

L'IRB dell'Agenzia spaziale giapponese (JAXA) e l'Amministrazione nazionale dell'aeronautica e dello spazio (NASA) hanno approvato la progettazione del protocollo di questo studio. Al soggetto sono state fornite spiegazioni orali e scritte sullo studio, riguardanti l'obiettivo del metodo di allenamento e i suoi rischi, dopodiché ha firmato i moduli di consenso per la partecipazione a questa ricerca. Al soggetto è stato assicurato che avrebbe potuto interrompere la partecipazione se lo desiderasse. La persona raffigurata in questo manoscritto ha fornito il consenso informato scritto (come indicato nel modulo di consenso PLOS) alla pubblicazione dei dettagli del caso.

Soggetto

Uno dei

I membri dell'equipaggio della ISS sono stati selezionati come soggetti. Ai soggetti è stato consentito di svolgere le operazioni quotidiane e le normali attività sulla ISS, compresi gli esercizi fisici quotidiani e altri esperimenti.

Attrezzatura

HTS

Il sistema era sostanzialmente identico a quelli utilizzati nei precedenti esperimenti a terra [16–22], tuttavia è stato progettato e realizzato per l’uso sulla ISS secondo i criteri della NASA (Chiyoda Advance Solutions, CHIYODA CORPORATION, Yokohama, Giappone). Ad esempio, l'hardware del modello a terra è stato modificato in modo che non venissero generati gas nocivi in caso di incendio e che le onde elettromagnetiche prodotte dallo stimolatore non avessero effetti negativi sulla ISS. L'HTS è costituito da uno stimolatore elettrico, una batteria, elettrodi, un sensore di movimento e un supporto muscolare (Fig. 2). Le dimensioni e il peso del dispositivo HTS erano rispettivamente di 280 mm × 180 mm × 100 mm e 1650 g.

Stimolatore È stato utilizzato uno stimolatore a tensione costante per prevenire la generazione di calore causata dall'aumento dell'impedenza dovuto al deterioramento o a un'impostazione insufficiente degli elettrodi; è stata inoltre impostata una limitazione della corrente elettrica per prevenire una sovrastimolazione durante la diminuzione dell'impedenza. Il soggetto può impostare l'intensità della stimolazione e ha la possibilità di determinare autonomamente il sovraccarico. L'uscita della corrente elettrica è isolata da un trasformatore e la componente in corrente continua non applica alcuna uscita al corpo umano. La corrente massima di stimolazione applicata al soggetto non supera i 20 mA in volo. La batteria era una Canon BP-930 (Canon Inc., Tokyo, Giappone), già presente sulla ISS per una videocamera. Questa batteria era disponibile per l'uso e, una volta completamente carica, garantisce un'autonomia di 15 sessioni di allenamento HTS.

Elettrodi

Gli elettrodi in carbonio rivestiti di gel (SEKISUI CHEMICAL CO.,LTD, Tokyo, Giappone) sono stati fissati sui punti motori dei muscoli bicipiti e tricipiti utilizzando un supporto. Il supporto è stato progettato in modo che il soggetto potesse posizionare facilmente gli elettrodi nella posizione corretta (GOLDWIN INC., Tokyo, Giappone).

Sensore di movimento

Il movimento articolare è stato rilevato tramite l'estensione e la retrazione di un cavo collegato a un encoder rotativo (ME-20-P, MUOTH ENGINEERING INC., Tokyo, Giappone). La risoluzione, la velocità massima di rilevamento e l'accelerazione massima dell'encoder rotativo a cavo erano rispettivamente di 0,01 mm, 15 m/min e 7,8 m/s².

Protocollo di allenamento

Indossare e regolare l'HTS

Gli elettrodi sono stati integrati nel supporto e fissati sui punti motori dei muscoli tricipiti e bicipiti solo per il braccio non dominante. L'intensità di stimolazione è stata impostata al livello predeterminato in una regolazione a terra 4 mesi prima del lancio e fissata per l'esperimento sulla ISS. È stata determinata come l'80% dell'intensità massima di stimolazione confortevole secondo precedenti studi a terra [16–22]. Durante l'intero periodo di allenamento di 4 settimane è stata utilizzata un'intensità di stimolazione costante, pari a 21,0 V sul tricipite e 15,5 V sul bicipite.

Allenamento HTS

L'allenamento HTS si è svolto verso la fine del volo, a partire da meno di 7 settimane dal ritorno (Fig. 3). Sono stati eseguiti curl reciproci del gomito di entrambi gli arti superiori, con 2 secondi di flessione e 2 secondi di estensione. Una serie di allenamento consisteva in 10 piegamenti del gomito e durante una sessione di allenamento sono state eseguite 10 serie da 10 piegamenti del gomito con intervalli di riposo di 1 minuto tra una serie e l'altra. Per una sessione erano necessari 15 minuti e 40 secondi. Sono state eseguite 3 sessioni a settimana per 4 settimane, per un totale di 12 sessioni di allenamento svolte sulla ISS.

Valutazioni

Valutazioni a terra

Le valutazioni a terra sono state effettuate utilizzando dispositivi di valutazione di alta qualità. Le valutazioni pre-volo sono state effettuate 1,5 ± 0,5 mesi prima del lancio, mentre quelle post-volo sono state effettuate entro 7 giorni dal ritorno sulla Terra (Fig. 3).

Prestazioni muscolari

Per valutare le prestazioni muscolari presso il Johnson Space Center è stato utilizzato il Biodex System4-PRO (Biodex Medical Systems, Shirley, New York, USA). La misurazione della forza di estensione e flessione del gomito è stata eseguita con misurazione isocinetica a 180 gradi/min. Nella misurazione isocinetica sono stati valutati la coppia di picco (Nm), il lavoro totale (Joule: quantità di lavoro svolto per l'intera serie) e la potenza media (Watt: lavoro totale diviso per il tempo). Per la valutazione sono state eseguite tre serie di misurazioni e per la valutazione è stato utilizzato il valore massimo.

Volume muscolare mediante risonanza magnetica

La misurazione del volume muscolare mediante risonanza magnetica (RM) (SIEMENS MAGNETOM Verio 3T, Washington, D.C., USA) è stata eseguita presso lo Specialty Care Center, Victory Lakes della University of Texas Medical Branch. Una capsula sferica di 5 mm di diametro contenente vitamina D (Alfarol, CHUGAI PHARMACEUTICAL CO. LTD., Tokyo, Giappone) e lipidi è stata applicata come marcatore sulla parte superiore delle braccia del soggetto per confermare il livello di scansione. È stata realizzata una scala formata da una fascia elastica di sostegno per il braccio (GOLDWIN INC., Tokyo, Giappone) per identificare una distanza costante dal condilo mediale dell'omero. Le braccia sono state sottoposte a scansione bilaterale utilizzando immagini pesate in T1 (TR/TE = 500/18 msWeWe). Sono state prescritte undici sezioni assiali di 10 mm di spessore su una scansione coronale che includeva il marcatore e acquisite perpendicolarmente all'asse principale dell'omero. Sono state utilizzate 3 sezioni, inclusa quella centrale con il marcatore, per confrontare il volume muscolare. È stata utilizzata una scala anche per la misurazione con metro a nastro della circonferenza del braccio durante la valutazione in volo.

DXA

L'assorbimetria a raggi X a doppia energia (DXA) (scanner DXA Hologic QDR 4500 W, Hologic Inc., MA, USA) è stata eseguita presso il Johnson Space Center per valutare la densità minerale ossea (BMD), la massa magra (muscolare) e la massa grassa. I dati DXA sono stati forniti dal programma di condivisione dati della NASA.

Valutazioni in volo

La scala di valutazione numerica (NRS) è stata compilata dal soggetto dopo le prime tre sessioni di allenamento per valutare l'eventuale dolore provato dal soggetto. Altre valutazioni in volo sono state eseguite utilizzando semplici metodi di valutazione 6 giorni prima e 5 giorni dopo il periodo di allenamento di 4 settimane (

href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4546678/figure/pone.0134736.g003/">Fig. 3).

Forza isometrica di picco

La misurazione della forza muscolare è stata eseguita utilizzando un dinamometro portatile (HHD) (GT 310, OG Giken, Okayama, Giappone) (Fig. 4A). L'HHD è stato utilizzato per valutare la forza di estensione e flessione del gomito. Il soggetto ha tenuto in mano l'HHD e la forza isometrica del gomito è stata misurata dall'HHD mentre il soggetto lo premeva contro il corrimano in posizione eretta, con l'articolazione del gomito in posizione di flessione a 90 gradi e i piedi fissati su un poggiapiedi. Per una misurazione precisa, sono stati realizzati e utilizzati un supporto di fissaggio per il polso e un'imbracatura di fissaggio del corpo. La misurazione è stata eseguita tre volte e per la valutazione è stato utilizzato il valore massimo.

Per saperne di più https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4546678/