Роли Концептуализация, куриране на данни, методология, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

марс

Отдел за космически биологични науки, Изследователски център на НАСА-Еймс, Калифорния, САЩ, Департамент по материалознание и инженерство, Станфордски университет, Станфорд, Калифорния, САЩ

Роли Куриране на данни, формален анализ, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Катедра по принадлежност към материалознанието и инженерството, Станфордски университет, Станфорд, Калифорния, Съединени американски щати, Катедра по химия, Станфордски университет, Станфорд, Калифорния, Съединени американски щати

Роли Куриране на данни, формален анализ, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел за космически биологични науки, NASA-Ames Research Center, Калифорния, Съединени американски щати

Роли Формален анализ, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел за космически биологични науки, NASA-Ames Research Center, Калифорния, Съединени американски щати

Роли Концептуализация, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел за космически биологични науки, NASA-Ames Research Center, Калифорния, Съединени американски щати

Роли Формален анализ, администриране на проекти, надзор, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Отдел за космически биологични връзки, Изследователски център на НАСА-Еймс, Калифорния, Съединени американски щати

Концептуализация на ролите, официален анализ, придобиване на финансиране, администриране на проекти, надзор, писане - оригинален проект, писане - преглед и редактиране

Катедра по филиали по материалознание и инженерство, Станфордски университет, Станфорд, Калифорния, Съединени американски щати, Департамент по биоинженерство, Станфордски университет, Станфорд, Калифорния, Съединени американски щати

  • Енеко Акспе,
  • Дорийн Чан,
  • Метадел Ф. Абегаз,
  • Ан-Софи Шреърс,
  • Джошуа С. Алууд,
  • Рут К. Глобус,
  • Ерик А. Апел

Фигури

Резюме

Очаква се двупосочна човешка мисия до Марс да продължи около три години. Известно е, че условията на космически полети причиняват загуба на костна минерална плътност (КМП) при астронавтите, увеличавайки риска от костни фрактури. Има спешна нужда да се разбере прогресията на КМП като функция от времето на космическия полет, за да се сведат до минимум свързаните с това здравни последици и да се осигури успех на мисията. Тук въвеждаме нелинеен математически модел на загуба на BMD за кандидатстващи човешки мисии на Марс: (i) траектория на класа на опозицията (400–600 дни) и (ii) траектория на класа на конюнкцията (1000–1200 дни). Използвайки данни за КМП на шийката на бедрената кост (N = 69) от астронавти след 132-дневен и 228-дневен космически полет и препоръката на Световната здравна организация за фрактури, ние прогнозирахме риска след мисията и свързаната с него остеопатология. Нашият модел прогнозира, че 62% астронавти от опозиционен клас и 100% астронавти от конюнктен клас ще развият остеопения, като 33% са изложени на риск от остеопороза. Този модел може да помогне при прилагането на стратегии за противодействие и да информира избора на кандидати за екипаж на космическите агенции.

Цитат: Axpe E, Chan D, Abegaz MF, Schreurs A-S, Alwood JS, Globus RK, et al. (2020) Човешка мисия до Марс: Предсказване на загубата на костна минерална плътност на астронавтите. PLoS ONE 15 (1): e0226434. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0226434

Редактор: Сакамури В. Реди, Детски изследователски институт Чарлз П. Дарби, САЩ

Получено: 26 октомври 2019 г .; Прието: 26 ноември 2019 г .; Публикувано: 22 януари 2020 г.

Това е статия с отворен достъп, без никакви авторски права, и може да бъде възпроизвеждана, разпространявана, предавана, модифицирана, надграждана или използвана по друг начин от всеки за каквато и да е законна цел. Произведението е предоставено на базата на Creative Commons CC0, посветена на публичното достояние.

Наличност на данни: Стойностите на BMD на шийката на бедрената кост са извлечени от следната статия: https://doi.org/10.1007/s001980050093. Други данни са достъпни от базата данни на NHANES: https://wwwn.cdc.gov/nchs/nhanes/.

Финансиране: EAA благодари за финансирането от Центъра за имунология на човешките системи с Фондация Бил и Мелинда Гейтс OPP1113682. E.A. благодари за финансирането на подкрепа от Програмата за интердисциплинарни инициативи на Станфорд Bio-X 8-ми кръг (2016 г.) Seed Grant, постдокторантска стипендия на баското правителство и гранта на баското правителство № IT-1005-16. D.C. благодари за награда от Министерството на отбраната, Служба за научни изследвания на ВВС, Национална отбранителна научна и инженерна стипендия (ND-SEG), 32 CFR168a с държавна подкрепа по FA9550-11-C-0028. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

Фрактура възниква, когато определено приложено натоварване надвишава крайната якост на костта. Измерим, критичен компонент за здравината на костите е минералната плътност на костите (BMD) [1]. Загубата на КМП е установен риск от фрактури поради отслабване на костите, измерена в големи епидемиологични проучвания, корелиращи КМП с честотата на фрактури на крехкост [2–4]. Съвременните стандарти за наблюдение и поддържане на здравето на костите както на членове на екипажа на NASA, така и на ISS се основават на измервания на BMD чрез двуенергийна рентгенова абсорбциометрия (DXA) [5]. Добре известно е, че продължителните космически полети предизвикват загуба на КМП в носещите тегло кости, въпреки че има значителна индивидуална вариабилност [6–12]. Загубата на КМП като функция от продължителността на космическия полет остава слабо разбрана, като средният процент на загуба обикновено е между 1–1,5%/месец за носещи тегло кости [13,14]. Тези изчисления се основават на измервания на DXA преди и след мисии, обикновено с продължителност 4–6 месеца.

По време на> 54 милиона километра, изминати по време на мисия до Марс, астронавтите ще бъдат изложени на най-дългите условия на микрогравитация и космическа радиация в историята на космическите полети. По този начин е необходимо да се определят потенциалните последици за здравето от такова излагане, преди да се пристъпи към междупланетни проучвания [15]. Всъщност Международната координационна група за космически изследвания (ISECG), състояща се от 14 космически агенции, има за цел да развие дългосрочна стратегия за изследване на човешкото космос. Според последното издание на ISECG Global Exploration Roadmap [16], издадено през януари 2018 г., общата движеща цел между агенциите е да се даде възможност на човешкото присъствие на Марс. Първата човешка мисия на НАСА до околностите на Марс се очаква в средата на 2030-те, а човешко кацане на марсианската повърхност се очаква през 2040-те.

Предсказуем математически модел за загуба на BMD по време на продължителни космически полети може да помогне на космическите агенции да вземат решения относно продължителността на мисията и избора на екипажа, за да минимизират риска от фрактури. Доколкото ни е известно, всяка предишна работа предполага линейно намаляване на BMD при астронавтите, за да прави прогнози [13], което не е валидно за дълготрайни космически полети. По-конкретно, загубата на КМП в шийката на бедрената кост е моделирана като линейно намаляване: (1,06 ± 0,63)% загуба на КМП на месец [17,18]. Линейното намаление обаче не е реалистично за много дълги междупланетни мисии, тъй като предсказва нефизични отрицателни стойности на BMD за по-дълги времеви интервали. За разлика от това, възстановяването на BMD на Земята в костите на различни астронавти след космически полети е добре описано чрез експоненциална функция [19]. Освен това има земни доказателства, че загубата на костен матрикс и костен минерал поради състояния, които водят до продължителна почивка в леглото (напр. Отказ от медицински състояния и/или увреждане на гръбначния мозък) в крайна сметка плато при 69,0% първоначална КМП, след период на значителна и прогресивна спад [18,20,21]. По този начин, нелинейният, експоненциален спад на КМП в носещите тегло кости е разумен подход за моделиране на прогресивна костна загуба при дълготрайни космически мисии.

В тази статия въвеждаме за първи път предсказуем математически модел за загуба на BMD, определен от експоненциално намаляване на носещите кости на астронавтите. Използвайки този модел, ние прогнозираме загуба на BMD в шийката на бедрената кост за две потенциални мисии до Марс.

Методи

Математическа формулировка

Съществуват земни доказателства, че костната плътност е вероятно да се плато след дълъг период на загуба в носещите тегло кости [18,20,21]. Освен това няма налични подкрепящи данни от астронавти за срокове, свързани с междупланетното пътуване (всички кандидатстващи мисии са в реда на годините, като се имат предвид настоящите ракетни възможности). Нараняването на гръбначния мозък обаче дава пример, когато плато в намаленията на КМП се случва 1,5–2,5 години след нараняване, което е подобно на общата продължителност на потенциална човешка мисия на Марс. Освен това, предишни проучвания демонстрират, че промените, които настъпват след увреждане на гръбначния мозък и излагане на микрогравитация, са изключително сходни [22]. Следователно ние формулираме, че промяната на ареалния BMD в носещи тежести кости в момент t, BMD (t), по време на космически полети като еднофазен експоненциален разпад:

Промяната на BMD тук се изразява като процент [%], λ съответства на скоростта на разпадане на BMD, а C на минералната плътност на костите на повърхността непосредствено преди изстрелването:

P съответства на платото. По-рано е изчислено, че максималната обща загуба на КМП е 69,0% спрямо предполетната КМП на астронавтите [18] и е получена чрез комбиниране на данни от различни големи проучвания при хора [23,24]. Следователно, ако приемем, че загубата на BMD в крайна сметка ще достигне плато при тази максимална стойност:

Направихме нелинейна регресия на наличните данни за загуба на КМП в шийката на бедрената кост. За да получим скоростта на разпадане (λ) на КМП на шийката на бедрената кост в нашия модел, дефинирахме платото като P = 69,0% загуба на КМП в сравнение с предварителното стартиране. Шийката на бедрената кост е избрана между други кости, носещи тегло, тъй като тя се препоръчва от Световната здравна организация (СЗО) [25], за да се определи T-резултатът, свързан с риска от фрактура на крехкост, както и за диагностициране на остеопороза в клиничната практика [18]. Таблица 1 включва всички налични понастоящем данни в литературата (общо 69 стойности, някои изразени като средна стойност ± SD, както е посочено).

След като изчислихме загубата на КМП, използвайки предишното уравнение, изчислихме T-резултата за различните етнически групи и полове, като използвахме нормативни данни от референтната база данни на Националното изследване на здравето и храненето (NHANES), точно както се препоръчва от Световната здравна организация. T-резултатът се дефинира като броят на стандартните отклонения над или под средното за кавказки жени на възраст 20–29 години (= 0,858, SD = 0,120):

В предишната формула беше изчислена за всяка група i, като:

Тук бяха получени като средни стойности за всяка група (мъже/жени, неиспанци, бели/неиспанци, чернокожи, мексиканско-американски и 30–39 години, 40–49 години) от референтната база данни на NHANES. BMD% (t) съответства на загубата на BMD, получена в това проучване. Всички получени данни могат да бъдат намерени в таблици S1 – S5.

След като беше изчислена за всяка група астронавти, бе назначена виртуална диагноза на остеопения или остеопороза въз основа на T-резултата, следвайки критериите на СЗО. Според международния референтен стандарт [22], остеопорозата се диагностицира, когато T-резултатът -1, T-резултатът се счита за нормален.

Резултати

Стойностите, получени от нелинейната регресия, са обобщени в таблица 2. Предсказващият модел за загуба на BMD в бедрената шийка на астронавтите по време на космически полет с дължина (BMD% (t)), въз основа на стойностите, изброени в таблица 2, е следното:

Предишни проучвания са изчислили продължителността на различни силни кандидат-човешки мисии до Марс [26,27]. Мисиите, базирани на траектория от опозиционен клас (400–600 дни), известни също като „кратък престой“, са технически и технологично взискателни (т.е. те изискват маневри с висока делта-скорост и следователно изискват много по-висока маса на горивото и би било предизвикателно да се изпълняват с настоящи задвижващи технологии). Траекториите от клас на конюнкция (1000–1200 дни), наричани още мисии „дълъг престой“, минимизират енергийните изисквания и са по-малко трудни за изпълнение. Използвайки нашия модел, прогнозирахме загубата на BMD за тези потенциални мисии до Марс. На фиг. 1 начертахме предишната функция спрямо времето, за да покажем нейните прогнози за загуба на BMD при продължителни космически полети.

Сивите точки представляват експериментални данни, получени в предишни мисии, измерени чрез рентгенова абсорбциометрия с двойна енергия (DXA). Открояват се две различни потенциални човешки мисии до Марс: (i) клас на опозиция, с продължителност 400–600 дни (област с червени точки) и (ii) клас на конюнкция, с продължителност 1000–1200 дни (зона с червени линии). Предсказващият модел е представен от плътната черна линия, с 95% граници на доверителен интервал, нанесени в пунктирани, черни линии, и платото от пунктирана черна линия. Сравнение с (нефизичния) линеен модел може да се намери на S1 – S3 Фиг.

Въз основа на тези резултати получихме T-резултати или всяка полова/етническа/възрастова група и ги обобщих в Таблица 3. Понастоящем в клиниката се дава T-резултат за сравняване на КМП на пациент с КМП на здрав млад възрастен . Различията се измерват в единици, наречени стандартни отклонения (SD). Колкото повече стандартни отклонения са под 0, толкова по-ниска е КМП на пациента и следователно е по-висок рискът от фрактура. T-резултатът между +1 и -1 се счита за нормален (здрав). T-резултатът между -1 и -2,5 показва остеопения. T-резултат Таблица 3. Очаквани T-резултати за всеки пол/етническа принадлежност/възрастова група.

Цветовият код се определя съгласно международния референтен стандарт, остеопорозата е оцветена в червено (T-резултат -1). Недопустимият резултат на НАСА е T-резултат -2) за повечето астронавти. Докато някои екипажи са склонни да развият остеопения, никой не се очаква да развие остеопороза.

В съответствие с наземните стойности от референтната база данни на NHANES, неиспанските, 30–39-годишни чернокожи мъже биха имали най-ниския риск от фрактура на костите във всяка от мисиите, докато неиспанските, 40–49-годишни, белите жени биха имали най-високият риск за фрактура на костите сред различните анализирани групи.

Представеният математически модел е първият от нашите познания, който не предполага линейно намаляване на BMD на астронавтите [28–30]. Въпреки че в литературата широко се използва линейно намаление, то в крайна сметка ще предскаже отрицателен BMD при дълготрайни космически полети, което няма никакъв физически смисъл. Нашият модел следва наземните доказателства, които предполагат, че загубата на BMD в крайна сметка ще се появи на плато [18] при дълготрайни космически полети. Този подход ни позволи да моделираме загубата на КМП при човешки междупланетни мисии, осигурявайки ценен инструмент за прогнозиране на риска от фрактури при астронавти за мисия на Марс.

Нашият модел представя прост и мощен математически инструмент, позволяващ бърза оценка на загубата на BMD и T-резултат за всеки астронавт в дългосрочен космически полет. И все пак възникват някои ограничения. Например нашият модел не отчита възможното използване на упражнения, фармацевтични (напр. Бисфосфонати) или диетични противодействия, които смекчават загубата на костна маса. Способността на стратегиите за противодействие за смекчаване на загубата на BMD на астронавти в мисии с продължителност над 1 година не е тествана. В това отношение, повече проучвания за ефектите от противодействията, за които е известно, че са ефективни при мисии 2 срещу 9,81 m/s 2 на Земята), особено като се има предвид периодът на неизползване по време на транзит до Марс. Същата логика се отнася и за астронавтите след завръщането на Земята, когато прогнозираните загуби на BMD вероятно са максимални.