Efectos fisiológicos en el espacio

Antes del lanzamiento del primer astronauta estadounidense , los vuelos suborbitales de primates no humanos ( chimpancés ) demostraron que el lanzamiento y la entrada, así como la exposición de corta duración a la microgravedad, eran eventos que se podían sobrevivir. ^{[ 4 ]}

El problema biomédico inicial al que se enfrentó el Proyecto Mercury (que se desarrolló entre 1959 y 1963) fue el establecimiento de los criterios de selección para el primer grupo de astronautas. Los requisitos médicos para los astronautas del Mercury fueron formulados por el Comité de Ciencias Biológicas de la NASA , un grupo asesor compuesto por distinguidos médicos y científicos de la vida. Los criterios de selección finales incluyeron los resultados de las pruebas médicas, así como la experiencia y los conocimientos técnicos de los candidatos. Se solicitó la intervención del personal y las instalaciones aeromédicas del Departamento de Defensa para realizar las pruebas de estrés y psicológicas a los candidatos a astronauta. Los procedimientos de selección y evaluación definidos para los astronautas del Mercury sirvieron de base para la posterior selección de los astronautas de los programas Gemini y Apolo cuando estos se iniciaron.

Aunque los vuelos Mercury fueron en gran medida vuelos de demostración, siendo la misión Mercury más larga de tan solo unas 34 horas, el Proyecto Mercury demostró claramente que los humanos podían tolerar el entorno del vuelo espacial sin efectos fisiológicos agudos importantes y se obtuvo información biomédica útil, que incluyó lo siguiente: ^{[ 5 ]}

• Capacidad de desempeño del piloto sin alteraciones por el vuelo espacial
• Todas las funciones fisiológicas medidas se mantuvieron dentro de los límites normales aceptables.
• No se observaron signos de respuestas sensoriales o psicológicas anormales.
• La dosis de radiación recibida se consideró insignificante desde una perspectiva médica.
• Inmediatamente después del aterrizaje, se observó un aumento ortostático de la frecuencia cardíaca y una disminución de la presión arterial sistémica, que persistieron durante 7 a 19 horas después del aterrizaje.

Debido a la corta duración de las misiones del Proyecto Mercury, no había mucha preocupación por la pérdida de la función musculoesquelética; por lo tanto, no se desarrollaron equipos ni protocolos de ejercicio para usar durante el vuelo. Sin embargo, los criterios de selección garantizaban que los astronautas estuvieran en excelente condición física antes del vuelo.

La información biomédica obtenida durante los vuelos Mercury proporcionó una base sólida para avanzar al siguiente paso, el Programa Gemini , que se desarrolló durante los 20 meses comprendidos entre marzo de 1965 y noviembre de 1966. El principal objetivo declarado del Programa Gemini era alcanzar un alto nivel de confianza operativa en los vuelos espaciales tripulados. Para prepararse para una misión de alunizaje, era necesario lograr tres objetivos principales:

1. para lograr el encuentro y acoplamiento de dos vehículos espaciales
2. para realizar actividades extravehiculares y validar los sistemas de soporte vital humano y las capacidades de desempeño de los astronautas en tales condiciones.
3. (relacionado con este tema) para desarrollar una mejor comprensión de cómo los humanos toleran períodos prolongados de exposición al vuelo sin gravedad

De este modo, el Proyecto Gemini brindó una oportunidad mucho mejor para estudiar los efectos de la microgravedad de los vuelos espaciales en los seres humanos. Durante el vuelo Gemini 7 , de 14 días de duración , se realizaron observaciones clave para examinar con mayor detalle las respuestas fisiológicas y psicológicas de los astronautas como resultado de la exposición a los vuelos espaciales y al entorno de microgravedad asociado.

El programa Gemini resultó en aproximadamente 2000 horas-hombre de exposición a la ingravidez para los astronautas estadounidenses. Otras observaciones incluyeron la presencia de intolerancia ortostática posvuelo que persistió hasta 50 horas después del aterrizaje en algunos miembros de la tripulación, una disminución de la masa de glóbulos rojos de 5 a 20 % con respecto a los niveles previos al vuelo, e indicios radiográficos de desmineralización ósea en el calcáneo . No se observaron disminuciones significativas en el desempeño de los objetivos de la misión ni se obtuvieron mediciones específicas de fuerza o resistencia muscular que compararan los niveles previos al vuelo, durante el vuelo y posteriores al vuelo.

El objetivo principal del Programa Apolo era el alunizaje de astronautas y su posterior regreso seguro a la Tierra. Los resultados biomédicos del programa (1968-1973) se recopilaron a partir de 11 misiones tripuladas que se completaron durante los cinco años de duración del programa: vuelos prelunares (misiones 7 a 10), el primer alunizaje (misión 11) y cinco vuelos exploratorios lunares posteriores (misiones 12 a 17). El Apolo 13 no completó su misión de alunizaje prevista debido a la explosión de un recipiente a presión en el Módulo de Servicio. En cambio, regresó a la Tierra sano y salvo tras alcanzar una órbita lunar parcial.

Para el éxito del Programa Apolo, era fundamental que algunos miembros de la tripulación realizaran periodos prolongados y extenuantes de actividad extravehicular (EVA) en la superficie lunar. Existía preocupación sobre la capacidad de los tripulantes para llevar a cabo las excursiones lunares previstas para algunas de las misiones Apolo . Si bien se esperaba que la menor gravedad lunar hiciera algunas tareas menos extenuantes, la movilidad reducida del traje, junto con un cronograma complejo y ambicioso, llevó a la predicción de que la actividad metabólica superaría los niveles resultantes durante periodos prolongados. Dado que la naturaleza y la magnitud de la disfunción fisiológica resultante de la exposición a la microgravedad aún no se habían establecido (y todavía no están definidas con precisión), se realizaron pruebas fisiológicas adecuadas dentro de las limitaciones del Programa Apolo para determinar si las respuestas fisiológicas de los tripulantes al ejercicio se veían alteradas como consecuencia del vuelo espacial.

La planificación inicial del Programa Apolo incluía mediciones en vuelo de parámetros clave, como las respuestas fisiológicas al ejercicio. Sin embargo, el incendio de la nave espacial Apolo 204 (también conocida como Apolo 1 ), fatal para los astronautas Grissom, White y Chaffee, llevó a la NASA a modificar el programa, eliminando así dichas posibilidades. En consecuencia, los investigadores solo pudieron realizar estudios de respuesta al ejercicio antes y después del vuelo, asumiendo que estos hallazgos reflejaban alteraciones en la función cardiopulmonar y muscular esquelética secundarias a la exposición a la microgravedad. Pronto se comprendió que, dentro del contexto y las limitaciones impuestas por la realidad de las misiones Apolo, la imposibilidad de controlar ciertas variables experimentales plantearía dificultades para numerosas investigaciones biomédicas. En primer lugar, los procedimientos de readaptación a la gravedad terrestre plantearon desafíos adicionales a un diseño experimental bien controlado, ya que los miembros de la tripulación del Apolo pasaron periodos variables de tiempo en una nave espacial incómodamente cálida que flotaba en el océano. Además, las limitaciones de la mecánica orbital en los tiempos de reentrada impusieron tiempos de recuperación para la tripulación que impidieron realizar pruebas pre y post-vuelo con un ritmo circadiano similar. El efecto de estas condiciones incontrolables, junto con el de otros factores de estrés físico y psicológico, no pudo separarse de las respuestas atribuibles únicamente a la exposición a la microgravedad. Por lo tanto, los datos relativos a las respuestas fisiológicas al estrés por ejercicio en los astronautas del Apolo deben interpretarse dentro de este contexto general.

No se planificó ningún programa de ejercicios en vuelo estandarizado para ninguna de las misiones Apolo; sin embargo, en algunas misiones se proporcionó un dispositivo de ejercicio (Figura 6-1). Los miembros de la tripulación, cuando se encontraban en el Módulo de Mando (CM), solían usar el dispositivo varias veces al día durante periodos de 15 a 20 minutos.

Las pruebas previas y posteriores al vuelo consistieron en pruebas de ejercicio gradual realizadas en un ergómetro de bicicleta . ^{[ 6 ]} La frecuencia cardíaca se utilizó para determinar los niveles de estrés, ^{[ 7 ]} y se utilizaron los mismos niveles de frecuencia cardíaca para las pruebas previas y posteriores al vuelo.

Si bien la duración exacta de cada nivel de estrés se ajustó ligeramente (1-2 minutos) para las misiones Apolo posteriores con el fin de obtener mediciones adicionales, el protocolo de estrés gradual incluyó niveles de ejercicio de 120, 140 y 160 pulsaciones por minuto, correspondientes al trabajo ligero, medio y pesado respectivamente para cada individuo. Para las misiones Apolo 9 y 10, se añadió un nivel de estrés de 180 pulsaciones por minuto. El protocolo de prueba completo se realizó tres veces en un período de 30 días antes del despegue. Las pruebas posteriores al vuelo se realizaron el día de la recuperación (aterrizaje) y una vez más entre 24 y 36 horas después de la recuperación.

Durante cada prueba, se realizaron mediciones de carga de trabajo, frecuencia cardíaca, presión arterial e intercambio de gases respiratorios ( consumo de oxígeno , producción de dióxido de carbono y volumen minuto). Para las misiones Apolo 15 a 17, las mediciones del gasto cardíaco se obtuvieron mediante la técnica de respiración única. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Las diferencias arteriovenosas de oxígeno se calcularon a partir de los datos medidos de consumo de oxígeno y gasto cardíaco .

Los datos recopilados fueron voluminosos y Rummel et al. los resumen en forma tabular ^{[ 6 ]} . Dietlein ha proporcionado una sinopsis concisa de los hallazgos. ^{[ 10 ].} En resumen, se observó una reducción significativa de la capacidad de trabajo y del consumo de oxígeno en el 67 % (18 de 27) de los miembros de la tripulación del Apolo evaluados durante la recuperación. Esta disminución fue transitoria, y el 85 % de los evaluados (23 de 27) volvieron a los niveles basales previos al vuelo en 24-36 horas. Una disminución significativa del volumen sistólico cardíaco se asoció con una menor tolerancia al ejercicio. No quedó claro si la disminución del ejercicio se inició durante el vuelo. De ser así, los datos del Apolo no revelaron la evolución temporal precisa durante el vuelo debido a la falta de capacidad de medición en vuelo. El desempeño de los astronautas en la superficie lunar no proporcionó ninguna razón para creer que se produjo una disminución grave de la tolerancia al ejercicio durante el vuelo, excepto la relacionada con la falta de ejercicio regular y la atrofia muscular por desuso. ^{[ 10 ].}

Los estudios realizados durante el programa Apolo, aunque no fueron óptimos, no dejaron dudas de que se produjo una disminución en la tolerancia al ejercicio en el período inmediatamente posterior al aterrizaje, aunque se cree que tales disminuciones no estuvieron presentes durante las EVA en la superficie. Parece probable que múltiples factores sean responsables de las disminuciones observadas. La falta de ejercicio suficiente y el desarrollo de atrofia muscular por desuso probablemente contribuyeron. Los procesos catabólicos del tejido pueden haberse acentuado por el aumento de la secreción de cortisol como consecuencia del estrés de la misión y la reacción individual de los miembros de la tripulación a dicho estrés. Otros factores asociados con el regreso a la gravedad terrestre también pueden estar implicados. Esto, la disminución observada del volumen sistólico (gasto cardíaco) es ciertamente un factor contribuyente y, a su vez, es un reflejo de la disminución del retorno venoso y la contracción del volumen sanguíneo circulante efectivo inducida por factores del vuelo espacial. ^{[ 10 ]} Se menciona la atrofia del músculo esquelético con respecto a su posible contribución a la intolerancia al ejercicio , y en algunos de los últimos vuelos del programa Apolo se realizaron mediciones de la circunferencia de las extremidades inferiores (datos no publicados) que proporcionaron la primera evidencia de pérdida de masa muscular en las piernas.

El programa Skylab (mayo de 1973 - noviembre de 1974) tuvo como objetivo, desde sus inicios, crear un laboratorio de ciencias biológicas en el espacio. Se realizaron numerosos experimentos para obtener datos fisiológicos de seres humanos expuestos a estancias prolongadas en un entorno de microgravedad.

Una simulación terrestre de 56 días de muchos de los experimentos del Skylab, realizada en una cámara cerrada con ambiente controlado, se denominó Prueba de Altitud de Experimentos Médicos del Skylab y representó la primera misión. Las tres misiones orbitales subsiguientes se denominaron Skylab 2 , 3 y 4. Estas tres misiones de larga duración tuvieron una duración de 28, 56 y 84 días, respectivamente. En conjunto, las misiones del Skylab lograron un hito al proporcionar una vasta cantidad de información biomédica sobre vuelos espaciales tripulados durante misiones de mayor duración que cualquier misión anterior.

Con respecto al problema actual de la pérdida de masa y función muscular, se realizaron dos estudios clave durante las tres misiones orbitales del Skylab. En primer lugar, se calcularon los volúmenes de las piernas y los brazos midiendo la circunferencia de segmentos contiguos de 3 centímetros de cada brazo y pierna, considerando todos los segmentos como un cilindro corto y cónico, y luego sumando los volúmenes de los segmentos para obtener el volumen de cada extremidad.

El segundo estudio incluyó las primeras mediciones de fuerza muscular mediante un dinamómetro . ^{[ 11 ] [ 12 ]} Además de las mediciones relacionadas directamente con la fuerza y ​​la masa del músculo esquelético, se realizaron mediciones indirectas que demostraron que todos los tripulantes del Skylab tenían un balance de nitrógeno negativo ^{[ 13 ]} indicativo de desgaste del músculo esquelético. Esto también se observó 10 años después en los tripulantes del transbordador espacial de corta duración . ^{[ 14 ]}

En la figura 6-2 se muestran los volúmenes de las extremidades superiores e inferiores de los tres tripulantes del Skylab 4. Los cambios en el volumen de las extremidades inferiores fueron los que más contribuyeron a dichos cambios, pero la pérdida de masa muscular en las piernas es claramente evidente, especialmente en el Comandante. Como se observa en los gráficos, se produce una pérdida significativa de volumen en las piernas durante los primeros días de exposición a la microgravedad, mientras que los cambios en las extremidades superiores son menos notables. Al regresar a la Tierra, gran parte de la pérdida de volumen en las piernas se corrige, aunque suele haber una breve sobrecorrección o sobreimpulso . Una vez que se resuelve este cambio en el volumen de las piernas, se revela la verdadera pérdida de masa muscular restante, que regresa más lentamente al nivel basal o previo al vuelo (véase la figura 6-2, pierna durante la recuperación en el lado derecho del gráfico para los tres tripulantes).

En el Skylab 4 Commander, la pérdida de volumen en las piernas parece ser de casi 300 cc (figura 6-2, gráfico superior). Debido a que el equipo de ejercicio para esta misión fue el más numeroso (compuesto por un cicloergómetro , una cinta de correr pasiva y el "Mini gimnasio", dispositivos comerciales modificados que permitían realizar ejercicios de resistencia de baja intensidad), las pérdidas de masa y fuerza muscular fueron menores que en las dos misiones anteriores de menor duración.

Durante el programa Skylab, se añadieron ejercicios y dispositivos de entrenamiento de forma incremental, y las pruebas se ampliaron con cada misión. Esto generó un entorno de entrenamiento diferente para cada vuelo, de modo que, en realidad, hubo tres experimentos orbitales separados pero relacionados, cada uno con N=3. Los resultados de cada misión influyeron significativamente en la siguiente. ^{[ 11 ]}

Se realizó una evaluación de la fuerza muscular antes y después del vuelo en el brazo y la pierna derechos de cada miembro de la tripulación para las tres misiones orbitales de Skylab mediante un dinamómetro isocinético Cybex . ^{[ 11 ]} El protocolo aplicado a cada miembro de la tripulación incluyó un calentamiento completo y 10 flexiones y extensiones máximas del brazo a la altura del codo y de la cadera y la rodilla a una velocidad angular de 45° por segundo. La fuerza isocinética de la pierna de las tres misiones, así como los pesos corporales y los volúmenes de las piernas, se presentan en la Figura 6-3.

En Skylab 2, solo se disponía del ergómetro de bicicleta para el ejercicio en vuelo, realizándose las pruebas 18 días antes del lanzamiento y 5 días después del aterrizaje. Si bien se reconoció que estos plazos estaban demasiado alejados del vuelo, fue lo mejor que se pudo lograr debido a las limitaciones de tiempo. Para cuando se completó la prueba muscular del día 5, probablemente se había producido cierta recuperación funcional; sin embargo, aún persistía una marcada disminución. La disminución de la fuerza de los extensores de las piernas fue de casi el 25 %; los brazos sufrieron menos, pero también mostraron pérdidas significativas (datos no mostrados). Los extensores de los brazos del Comandante no mostraron pérdida, ya que los utilizaba para pedalear la bicicleta con las manos, siendo el único miembro de la tripulación de Skylab en adoptar este modo de ejercicio de brazos. Esto ilustró un punto fundamental en el acondicionamiento muscular: para mantener la fuerza de un músculo, debe someterse a un esfuerzo igual o cercano al nivel en el que tendrá que funcionar. Los músculos extensores de las piernas, importantes para mantenerse de pie y proporcionar fuerzas propulsoras al caminar, son capaces de generar fuerzas de cientos de libras, mientras que las fuerzas de los extensores de los brazos se miden en decenas de libras. Las fuerzas que se desarrollan al pedalear en un ergómetro de bicicleta suelen ser de decenas de libras y, por lo tanto, son incapaces de mantener la fuerza de las piernas. El ergómetro de bicicleta demostró ser una excelente máquina para el ejercicio aeróbico y el acondicionamiento cardiovascular, pero no era capaz de desarrollar ni el tipo ni el nivel de fuerzas necesarias para mantener la fuerza para caminar bajo 1G. ^{[ 11 ]}

Inmediatamente después del lanzamiento de Skylab 2, se comenzó a trabajar en dispositivos para proporcionar un ejercicio adecuado a brazos, tronco y piernas. Un dispositivo comercial, denominado "Mini Gym", fue modificado extensamente y designado como "MK-I". Con este dispositivo solo se podían realizar ejercicios que beneficiaran principalmente a brazos y tronco. Si bien las fuerzas transmitidas a las piernas eran mayores que las del cicloergómetro, aún resultaban insuficientes, ya que este nivel no podía superar la fuerza máxima de los brazos, que representa una fracción de la fuerza de las piernas. ^{[ 11 ]}

Un segundo dispositivo, denominado "MK-II", consistía en un par de asas entre las que se podían acoplar hasta cinco resortes de extensión, lo que permitía desarrollar fuerzas máximas de 25 libras por pie. Estos dos dispositivos se utilizaron en el Skylab 3, y se incrementó el apoyo nutricional, el tiempo de ejercicio y la cantidad de comida durante el vuelo. La tripulación realizaba numerosas repeticiones diarias de sus maniobras favoritas en el MK-I y, en menor medida, en el MK-II. Asimismo, la cantidad promedio de trabajo realizado en el ergómetro de bicicleta se duplicó con creces en el Skylab 3, con la participación activa de todos los miembros de la tripulación.

Los científicos de Skylab consideraron que un dispositivo que permitiera caminar y correr bajo fuerzas equivalentes a la gravedad terrestre proporcionaría un ejercicio más intenso. ^{[ 11 ]} Inmediatamente después de la finalización de Skylab 2, se comenzó a trabajar en una cinta de correr para Skylab 4. A medida que avanzaba la preparación de la misión, el peso de lanzamiento de Skylab 4 aumentó tanto que el diseño final de la cinta de correr se vio limitado por restricciones de peso. El peso final del dispositivo fue de apenas 3,5 libras. Este dispositivo pasivo (figura 6-4) consistía en una superficie para caminar de aluminio recubierta de teflón, fijada al suelo iso-grid de Skylab. Cuatro cuerdas elásticas de goma proporcionaban un peso equivalente a unos 80 kilogramos (175  libras) y estaban sujetas a un arnés de hombro y cintura que llevaban los miembros de la tripulación durante su uso. Al inclinar las cuerdas elásticas de manera que el usuario fuera ligeramente empujado hacia adelante, se creaba el equivalente a una colina resbaladiza. Se ejercieron cargas elevadas sobre algunos músculos de las piernas, especialmente la pantorrilla, y la fatiga fue tan rápida que el dispositivo no pudo utilizarse para realizar ejercicios aeróbicos intensos debido a su diseño con arnés elástico. Era absolutamente necesario usar calcetines y no zapatos para lograr una baja fricción con la superficie de teflón.

En Skylab 4, la tripulación utilizó el ergómetro de bicicleta prácticamente al mismo ritmo que en Skylab 3, así como los aparatos de ejercicio Mini Gym MK-I y MK-II. Además, solían caminar, saltar y trotar en la cinta durante 10 minutos al día. La ingesta de alimentos también se había incrementado.

Tras su regreso a la Tierra, e incluso antes de las pruebas musculares, era evidente que los tripulantes del Skylab 4 se encontraban en muy buen estado físico. Al día siguiente del aterrizaje (R+1), pudieron permanecer de pie y caminar durante largos periodos sin dificultad aparente, a diferencia de los tripulantes de las dos misiones anteriores. Los resultados de las pruebas de fuerza confirmaron una pérdida sorprendentemente pequeña de fuerza en las piernas incluso después de casi tres meses de exposición a la microgravedad (figura 6-3). De hecho, la fuerza de los extensores de la rodilla aumentó con respecto al nivel previo al vuelo (figura 6-13).

Durante el Programa del Transbordador Espacial (1981-2011) se llevaron a cabo diversas investigaciones relacionadas con la función del músculo esquelético. La más exhaustiva de ellas fue un conjunto de investigaciones realizadas durante el Proyecto Médico del Orbitador de Duración Extendida (EDOMP), que se llevó a cabo entre 1989 y 1995 con misiones de hasta 16 días. Los estudios más relevantes para el riesgo en el que se centra este informe incluyen los siguientes Objetivos Científicos Detallados (OCD):

• DSO 475 – Evaluación directa de la atrofia muscular y la bioquímica antes y después de los vuelos espaciales.
• DSO 606 – Evaluación de las contracciones musculares esqueléticas concéntricas y excéntricas después de un vuelo espacial
• DSO 617 – Evaluación del rendimiento muscular funcional

El objetivo específico de los estudios DSO 477 y DSO 617 fue evaluar los cambios funcionales en la fuerza concéntrica y excéntrica (par máximo) y la resistencia (índice de fatiga) del tronco, los brazos y las piernas de los tripulantes antes y después del vuelo. Se utilizó un dinamómetro LIDO® ubicado en el Centro Espacial Johnson y en los sitios de aterrizaje principal y de contingencia para evaluar las contracciones concéntricas y excéntricas antes y después del vuelo.

Los sujetos de prueba en este estudio se ejercitaron durante el vuelo durante varias duraciones, intensidades y número de días en la cinta de correr original del transbordador (figura 6-5) (a diferencia de la cinta de correr EDO, que voló en misiones posteriores del transbordador y fue la base para la cinta de correr de la ISS) como parte de investigaciones separadas en vuelo. Los protocolos de ejercicio incluyeron entrenamiento continuo e interválico, con prescripciones que variaban del 60% al 85% del consumo máximo de oxígeno previo al vuelo según se estimó a partir de la frecuencia cardíaca (FC). Algunos sujetos tuvieron dificultad para alcanzar o mantener su FC objetivo durante el vuelo. El freno (figura 6-5). Se utilizó un sistema de arnés y cuerda elástica/sujeción para simular el peso corporal al proporcionar fuerzas equivalentes a una masa corporal aproximada de 1-G. Los sujetos en esta cinta de correr no motorizada debían caminar y correr con una pendiente porcentual positiva para superar la fricción mecánica. Los participantes del estudio se familiarizaron con el protocolo y los procedimientos de la prueba LIDO® aproximadamente 30 días antes del lanzamiento (L-30), después de lo cual se realizaron seis sesiones de prueba. Se realizaron tres sesiones antes del lanzamiento (días L-21, L-14 y L-8) y tres después del aterrizaje (días R+0, R+2 y R+7 a R+10).

Los grupos musculares evaluados se muestran en la tabla 6-1. Los datos de torque y trabajo se extrajeron de las curvas fuerza-posición. Se compararon el torque máximo, el trabajo total y el índice de fatiga medidos en las tres sesiones de prueba previas al vuelo; cuando no se encontraron diferencias entre las sesiones, se promediaron los valores de las tres sesiones previas al vuelo y este promedio se utilizó para comparar los valores previos al vuelo con los del día del aterrizaje y durante el período posterior al vuelo.

La fuerza del músculo esquelético se definió como el par máximo generado a lo largo de un rango de movimiento a partir de tres contracciones voluntarias consecutivas de flexión y extensión. Las contracciones excéntricas son acciones del músculo en las que se genera fuerza mientras el músculo se alarga, a diferencia de las acciones concéntricas en las que el músculo se acorta (contrae) mientras genera fuerza. La resistencia del músculo esquelético se definió como el trabajo total generado durante 25 repeticiones de ejercicio concéntrico de rodilla, determinado a partir del área bajo la curva de par para una serie completa de ejercicios. También se comparó el trabajo entre las primeras 8 y las últimas 8 repeticiones. Los parámetros de resistencia se midieron solo durante la actividad de flexión y extensión concéntrica de rodilla. En R+0, se mostraron disminuciones significativas en la fuerza concéntrica y excéntrica en la espalda y el abdomen en comparación con las medias previas al vuelo (tabla 6-1).

La extensión concéntrica de la espalda y la dorsiflexión excéntrica se mantuvieron significativamente menores que los valores previos al vuelo en R+7. Se demostró la recuperación (un aumento en el torque máximo de R+0 a R+7) para el abdomen excéntrico y los extensores de la espalda concéntricos y excéntricos.

Sin embargo, los datos mostrados en la tabla 6-1 pueden resultar algo engañosos, ya que en algunos casos se observaron grandes diferencias de fuerza entre los miembros de la tripulación que se ejercitaron durante el vuelo y los que no. Por ejemplo, algunos miembros de la tripulación que se ejercitaron durante el vuelo experimentaron un aumento de fuerza isocinética en los músculos extensores/flexores del tobillo (músculos de la pantorrilla anterior y posterior, es decir , el músculo tibial anterior frente al complejo gastrocnemio/sóleo) en comparación con los miembros de la tripulación que no se ejercitaron y que, de hecho, mostraron una disminución de la fuerza isocinética en estos músculos (figura 6-6).

Con respecto a la resistencia, la mayor parte de la disminución en el trabajo total del cuádriceps ocurrió en R+0. Esto probablemente refleja una pérdida significativa en el primer tercio de la sesión de ejercicio (−11%). Las disminuciones en el torque máximo a velocidades más rápidas en la prueba de resistencia son consistentes con los cambios observados a la velocidad angular más lenta utilizada durante las pruebas de fuerza. El torque para el cuádriceps a 75° por segundo fue un 15% menor que los valores previos al vuelo, pero para los isquiotibiales fue un 12% menor que la media previa al vuelo a 60° por segundo. Los datos de resistencia mostraron poca diferencia entre las pruebas previas al vuelo y R+7, lo que sugiere que los miembros de la tripulación habían vuelto a la línea de base una semana después del aterrizaje.

Además, los sujetos que hicieron ejercicio durante el vuelo, en comparación con aquellos que no lo hicieron, tuvieron pérdidas significativamente mayores ( p < 0,05) dentro de las 5 horas posteriores al aterrizaje en la fuerza concéntrica de la espalda, la fuerza concéntrica y excéntrica de los cuádriceps (30° por segundo) y la fuerza excéntrica de los isquiotibiales, en relación con los respectivos valores previos al vuelo (datos no mostrados aquí). ^{[ 15 ]} Según Greenisen et al., los no ejercitadores también tuvieron significativamente menos fuerza concéntrica de los cuádriceps a 75° por segundo y menor trabajo total de extensión, trabajo de flexión del primer tercio y trabajo de extensión del último tercio, inmediatamente después del aterrizaje, que antes del vuelo. Las conclusiones a las que llegaron los investigadores fueron que los datos indican que los músculos son menos capaces de mantener la resistencia y resistir la fatiga después del vuelo espacial, y que el ejercicio puede evitar disminuciones en estos aspectos de la resistencia. ^{[ 15 ]}

Por el contrario, los miembros de la tripulación que se ejercitaron durante el vuelo presentaron mayores pérdidas de fuerza en los músculos del tronco, medidas al aterrizar, que el grupo que no se ejercitó (figura 6-7). Sin embargo, la fuerza previa al vuelo en flexión y extensión del tronco fue sustancialmente mayor en el grupo que se ejercitó que en el grupo que no lo hizo. Aparentemente, el ejercicio en cinta rodante no evitó la disminución de la fuerza del tronco después de 9 a 11 días de vuelo espacial, y los investigadores propusieron la explicación de que la preservación de la función muscular podría limitarse solo a aquellos músculos que se utilizan eficazmente como parte del régimen de ejercicio.

El objetivo específico de DSO 475, "Evaluación directa de la atrofia muscular antes y después de vuelos espaciales cortos", fue definir los efectos morfológicos y bioquímicos de los vuelos espaciales en las fibras esqueléticas. ^{[ 15 ]} Para obtener datos biomecánicos y morfológicos de las miofibras de los tripulantes del transbordador espacial, se realizaron biopsias una vez antes del vuelo (L – > 21 días) y otra vez el día del aterrizaje (R+0). Los sujetos fueron ocho tripulantes, tres de una misión de 5 días y cinco de una misión de 11 días. Las biopsias de la porción media del m. vasto lateral se obtuvieron mediante una aguja de biopsia de 6 mm con asistencia de succión. Se utilizó una prueba t pareada unilateral para identificar diferencias significativas ( p < 0,05) entre los valores medios del área de sección transversal de la fibra (CSA), la distribución de la fibra y el número de capilares de todos los tripulantes antes del vuelo y los valores medios para todos los tripulantes después del vuelo.

Según este informe, ^{[ 15 ]} el CSA de las fibras de contracción lenta (Tipo I) en las biopsias posteriores al vuelo fue un 15% menor que en las biopsias previas al vuelo; el CSA de las fibras de contracción rápida (Tipo II) fue un 22% menor después del vuelo que antes (figura 6-8). Los valores medios no reflejaron la considerable variación observada en las biopsias de los ocho astronautas que participaron. Al menos parte de esta variación probablemente resultó de diferencias en los tipos y cantidades de contramedidas previas al vuelo y en vuelo (ejercicio o presión negativa en la parte inferior del cuerpo) utilizadas por los diferentes miembros de la tripulación. Las proporciones relativas de fibras Tipo I y Tipo II fueron diferentes antes y después de la misión de 11 días: la distribución de fibras también pareció seguir la misma tendencia después de la misión de 5 días (más fibras Tipo II y menos fibras Tipo I después que antes), pero el tamaño de la muestra fue demasiado pequeño para alcanzar significación estadística. El número de capilares por fibra se redujo significativamente después de 11 días de vuelo espacial.

Sin embargo, dado que el tamaño medio de la fibra también se redujo, el número de capilares por unidad de CSA del tejido muscular esquelético se mantuvo igual. ^{[ 15 ] [ 16 ]} La atrofia de ambos tipos principales de miofibras, con atrofia del tipo II > tipo I, es algo diferente de la atrofia de miofibras de tipo I más selectiva observada en el músculo de ratas Sprague-Dawley y Wistar sin carga ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} lo que representa un caso poco común en el que existen diferencias entre las respuestas del músculo esquelético humano y murino.

El propósito del DSO 606, "Cuantificación del tamaño del músculo esquelético mediante resonancia magnética (RM)", fue cuantificar de forma no invasiva los cambios en el tamaño, el agua y la composición lipídica de los músculos antigravitatorios (de las piernas) tras un vuelo espacial. Este experimento fue el primer intento de medir el volumen de las extremidades antes y después del vuelo desde que se utilizaron los métodos menos sofisticados de medición de la circunferencia de las extremidades durante los programas Apolo y Skylab. Los sujetos incluyeron un total de ocho tripulantes del transbordador espacial, cinco de un vuelo de 7 días y tres de un vuelo de 9 días. Todos los sujetos completaron una prueba previa al vuelo y dos posteriores al vuelo en L-30 o L-16 y en R+2 y R+7. Las pruebas consistieron en obtener una resonancia magnética de la pierna (sóleo y gastrocnemio) en el Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de Texas en Houston, Hospital Hermann. Se obtuvieron imágenes axiales multicorte de la pierna para identificar y localizar varios grupos musculares. Se midieron los cambios en el contenido de agua y lípidos, además del área de sección transversal (CSA), para distinguir los cambios en los volúmenes de líquido frente a los de tejido. Se midieron múltiples cortes mediante planimetría computarizada.

Se evaluaron el CSA y el volumen del compartimento total de la pierna, el sóleo y el gastrocnemio para determinar el grado de atrofia del músculo esquelético. Los volúmenes de los tres compartimentos fueron significativamente menores ( p < 0,05) después de los vuelos Shuttle de 7 y 9 días que antes del vuelo. El volumen disminuyó un 5,8 % en el sóleo, un 4,0 % en el gastrocnemio y un 4,3 % en el compartimento total. Se afirmó que estas pérdidas representaban el verdadero nivel de atrofia del tejido muscular esquelético y no cambios asociados con desplazamientos de fluidos. ^{[ 15 ]} No se observó recuperación a los 7 días después del aterrizaje (datos no mostrados). Este hallazgo indica que las pérdidas no se debieron a desplazamientos de fluidos, pero el retraso en la recuperación después de estos vuelos relativamente cortos es contrario a lo observado y documentado durante el programa Skylab de vuelos de mucha mayor duración, aunque con métodos menos sofisticados durante Skylab.

El Programa del Transbordador Espacial y, en particular, el EDOMP, han aportado un amplio conocimiento sobre los efectos de los vuelos espaciales en la fisiología humana y, específicamente, en las alteraciones de la masa, la fuerza y ​​la función del músculo esquelético. Una vez más, se documentaron pérdidas de masa, fuerza y ​​resistencia muscular, en algunos casos a pesar de las contramedidas de ejercicio. Sin embargo, algunos hallazgos fueron alentadores, en particular las indicaciones de que el ejercicio en vuelo tiene un efecto positivo para contrarrestar las pérdidas de fuerza muscular, al menos en las piernas (véase la tabla 6-1 y la figura 6-6), tal como se predijo a partir de los resultados de la misión Skylab 4 de 84 días, en la que se utilizaron múltiples modalidades de ejercicio, incluyendo un dispositivo único de "cinta de correr" (véase la figura 6-4). Esta inusual cinta de correr proporcionó cargas de magnitud suficiente a las piernas de una manera similar al ejercicio de resistencia. Sin embargo, los datos proporcionados por los estudios de volumen mediante resonancia magnética indican que no todos los tripulantes, a pesar de utilizar diversas contramedidas de ejercicio, escapan a la pérdida de masa muscular que se ha documentado durante la mayor parte de la historia de los vuelos espaciales tripulados estadounidenses desde el Proyecto Mercury. Por lo tanto, se necesita investigación adicional para continuar el desarrollo de contramedidas y equipos que, en última instancia, proporcionen una solución eficaz para todos los viajeros espaciales humanos.

Durante los siete vuelos de la NASA-Mir, siete astronautas estadounidenses entrenaron y volaron junto con 12 cosmonautas rusos durante un total de 977 días (con una estancia media de 140 días) en el espacio, entre marzo de 1995 y junio de 1998. La principal contribución del esfuerzo conjunto estadounidense-ruso en la estación espacial Mir, relevante para el tema actual del riesgo, fue el primer uso de la resonancia magnética para investigar los cambios de volumen en los músculos esqueléticos de astronautas y cosmonautas expuestos a vuelos espaciales de larga duración. Esto comenzó con la primera misión conjunta, Mir-18, y continuó hasta la última misión, Mir-25. Los datos indicaron que la pérdida de volumen muscular, particularmente en las piernas y la espalda, fue mayor que en los vuelos espaciales de corta duración, pero no tan grande como los datos de estos últimos podrían haber predicho. ^{[ 20 ]} Una comparación entre las pérdidas de volumen en los grupos musculares seleccionados en vuelos espaciales de corta duración en el Transbordador Espacial, reposo en cama de larga duración (119 días) y una misión Transbordador-Mir (115 días) demuestra la evolución temporal relativa de las pérdidas (figura 6-9).

Existe una buena correlación entre el reposo prolongado en cama y los vuelos espaciales de duración similar, con la salvedad de que la pérdida de masa muscular en la espalda es mucho menor durante el reposo en cama. Esto probablemente se deba a que estos músculos se utilizan durante el reposo para ajustar la posición del cuerpo y reducir el riesgo de compresión vascular y lesiones tisulares. Durante los vuelos espaciales, los músculos de la espalda se utilizan aparentemente menos porque no tienen que sostener el cuerpo en posición vertical contra la gravedad terrestre ni se utilizan con tanta fuerza para realizar ajustes posturales como ocurre durante el reposo en cama.

La primera tripulación de la Estación Espacial Internacional (EEI) (Expedición 1) llegó en octubre de 2000; desde entonces, se han realizado 15 expediciones adicionales. Los datos que se presentan aquí se recopilaron durante las primeras 11 expediciones a la EEI.

No se pueden subestimar las complejidades y deficiencias de recopilar datos científicos desde un laboratorio que orbita a más de 300 millas sobre la Tierra y completa 18 órbitas por día a una velocidad de más de 17,000  mph con comunicaciones de voz y datos discontinuas, combinadas con las restricciones y limitaciones de la masa ascendente, el tiempo de la tripulación y la logística a bordo.

Otro problema fue el hardware de ejercicio que se construyó y lanzó pero no cumplió con los requisitos científicos. (El requisito científico del Dispositivo de Ejercicio Resistivo [RED] era proporcionar una carga de hasta un equivalente de 600  libras, pero el Dispositivo de Ejercicio Resistivo Provisional (iRED) proporciona solo la mitad de esa cantidad. Estudios en tierra han demostrado que produce un efecto de entrenamiento positivo similar al de pesas libres equivalentes cuando se usa en un programa de alta intensidad, ^{[ 23 ]} pero probablemente no proporcionará suficiente carga en un entorno de gravedad cero para prevenir la pérdida de tejido muscular y óseo, como se determinó en estudios de vuelo parabólico. ^{[ 24 ]} ) Otros problemas fueron fallas en algún momento de cada pieza del hardware de ejercicio a bordo con una utilización reducida en otros momentos, y otras limitaciones impuestas porque la transmisión de fuerzas a la estructura espacial ha confundido las sesiones de ejercicio en vuelo. De hecho, durante las primeras once expediciones a la ISS, solo en dos breves periodos durante las expediciones 3 y 4 los tres dispositivos de ejercicio a bordo de EE. UU. ( Egómetro de ciclo con sistema de aislamiento de vibraciones [CEVIS], cinta de correr con sistema de aislamiento de vibraciones e iRED) pudieron utilizarse en condiciones normales (Figura 6-10). La disponibilidad casi constante e insuficiente de los equipos de ejercicio probablemente redujo el mantenimiento de la condición física de la tripulación.

A pesar de estas deficiencias, los datos de masa de tejido magro ^{[ 25 ]} recopilados mediante absorciometría de rayos X de doble energía (DEXA) antes y después del vuelo se comparan favorablemente con los datos de NASAMir, y las pérdidas totales de cuerpo y piernas son de hecho menores que las observadas durante NASA-Mir o durante tres estudios separados de reposo en cama de duraciones similares en el rango de 20 a 170 días (Figura 6-11). Sin embargo, las noticias no son del todo buenas, ya que las pérdidas de fuerza de los extensores y flexores de rodilla en los miembros de la tripulación de larga duración después de los vuelos a bordo de Mir e ISS ^{[ 25 ]} fueron de ~23% y ~25%, respectivamente (Figura 6-12), lo que indica que las pérdidas de fuerza en los grupos musculares cuádriceps e isquiotibiales fueron significativas y similares para NASA-Mir y las primeras misiones de ISS, a pesar de la aparente preservación ligeramente mayor de la masa muscular (tejido magro) en las piernas de los miembros de la tripulación de ISS en comparación con los miembros de la tripulación en las misiones de NASA-Mir (también Figura 6-11). Estas pérdidas casi equivalentes ocurrieron a pesar de la presencia de iRED en la ISS. Desafortunadamente, los datos de resonancia magnética recopilados por Fitts y sus colegas para evaluar los volúmenes de músculo esquelético en los miembros de la tripulación de la ISS aún no están disponibles para permitir la comparación con los de la NASA-Mir. Con respecto a la resistencia, la siguiente comparación (Figura 6-13) muestra una tendencia hacia un mejor mantenimiento de la resistencia muscular en la ISS con respecto a la NASA-Mir, aunque la pérdida de resistencia en la ISS fue mayor que la documentada durante las misiones de corta duración del transbordador espacial (para la ISS, n = 2).

Los tripulantes de la ISS, bajo la supervisión de sus médicos de tripulación, participan en un programa de ejercicios posterior al vuelo impartido por entrenadores certificados del grupo de Fuerza, Acondicionamiento y Rehabilitación de Astronautas (ASCR) del Centro Espacial Johnson. Parte de este programa incluye pruebas de aptitud física individuales. Los resultados de estas pruebas funcionales, que constan de seis ejercicios, revelan que los tripulantes regresan con menor capacidad física que al momento del lanzamiento, pero que la mayor parte de esta disminución se revierte al trigésimo día posterior al vuelo gracias a los ejercicios en tierra que realizan en los días posteriores a su regreso a la Tierra (Figuras 14 y 15).

En esta sección, solo se incluyen y analizan los aspectos históricos más relevantes de algunas investigaciones sobre el músculo esquelético. Un análisis exhaustivo de todos los datos requeriría varios volúmenes. Sin embargo, esta breve reseña histórica permite observar cómo las primeras indicaciones de pérdida de función muscular impulsaron el desarrollo de contramedidas mediante el ejercicio. Dichas contramedidas se utilizaron durante los vuelos espaciales, se evaluó a los tripulantes a su regreso y se modificaron los programas de ejercicio y el equipo para su uso en futuras misiones. En las secciones siguientes, se revisan los estudios en vuelos espaciales tripulados, los estudios análogos en tierra y los estudios experimentales con animales que contribuyen a la base de evidencia sobre las alteraciones en la forma y función del músculo esquelético que se producen con la descarga muscular asociada al entorno de microgravedad. Este conocimiento servirá de base para futuras contramedidas operativas e investigaciones sobre los cambios fundamentales en la fisiología muscular.

Aunque las observaciones registradas durante los vuelos espaciales son menos extensas en roedores (debido a que hay menos misiones de vuelo con oportunidades para que los astronautas o los especialistas de carga útil los observen), los datos disponibles sugieren que los roedores dependen menos de las extremidades posteriores para ejecutar la mayoría de los patrones de movimiento (como ocurre en los humanos). Durante los vuelos espaciales, sus tobillos parecen adoptar una posición de flexión plantar que puede reducir la tensión pasiva (fuerza) impuesta al grupo del tríceps sural, del cual el músculo sóleo de contracción lenta antigravitatoria es un componente principal. ^{[ 95 ]} Se ha observado una postura similar en el análogo terrestre de HS. Se cree que esta postura afecta la tensión residual colocada en este grupo muscular en ausencia de un estado normal de carga, es decir, el grupo muscular flexor plantar del tobillo queda realmente descargado. Aunque no se han realizado estudios electromiográficos en roedores adultos durante vuelos espaciales, los estudios realizados en roedores durante la hipoxia crónica indican que solo se produce una reducción transitoria en la actividad eléctrica de los músculos flexores plantares del tobillo (sóleo y gastrocnemio medial). ^{[ 96 ]} Este patrón de actividad es consistente con la postura del músculo y el mantenimiento de la masa muscular durante los 28 días del experimento. Es decir, la actividad electromiográfica se mantuvo bien, mientras que la atrofia progresiva se mantuvo. Estos hallazgos refuerzan la idea de que es la actividad mecánica, más que la actividad eléctrica impuesta al músculo, la que resulta esencial para mantener la homeostasis fisiológica.

Cuando los animales regresan de vuelos espaciales, incluso de corta duración (días), sus patrones de actividad básicos se alteran. El centro de gravedad en las ratas es mucho más bajo de lo normal. Ya no soportan su peso corporal e inician el movimiento desde las puntas de sus pies, y la articulación del tobillo adopta una posición de dorsiflexión exagerada. ^{[ 95 ]} El movimiento para la mayoría de las actividades voluntarias es mucho más lento y deliberado (los animales cubren distancias más pequeñas por unidad de tiempo), y los animales pasan significativamente menos tiempo en posturas bípedas. ^{[ 95 ]} Además, los roedores usan sus colas para soporte básico en mayor grado, según las observaciones de los investigadores. Por lo tanto, las habilidades motoras de los roedores y la capacidad locomotora básica tienen menos fidelidad y capacidad durante el mantenimiento de la postura y la locomoción durante las primeras etapas de la recuperación; sin embargo, a los 9 días después del vuelo, las propiedades de la actividad vuelven a las observadas en condiciones normales.

Se ha acumulado información considerable sobre un gran número de experimentos de vuelos espaciales y de supervivencia en el espacio (SSE) que abarcan un período de tiempo de entre 4 y 22 días para los vuelos espaciales y de entre 1 y 56 días para los SSE. Estos experimentos se han centrado principalmente en los músculos extensores utilizados extensamente para el soporte postural y la actividad locomotora. La revisión de Roy, Baldwin y Edgerton ofrece una de las revisiones más completas sobre roedores en el entorno espacial. ^{[ 97 ]} Se han publicado revisiones adicionales sobre este tema. ^{[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]} Las observaciones colectivas muestran claramente que estos tipos de músculo experimentan reducciones significativas en la masa muscular (peso muscular) ^{[ 95 ] [ 97 ] [ 101 ] [ 103 ] [ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ]} junto con una pérdida concomitante en el contenido de proteína total y miofibrilar (la fracción que está compuesta por la maquinaria contráctil de las proteínas estructurales) de los músculos afectados. ^{[ 98 ] [ 104 ] [ 116 ] [ 117 ]} En algunos experimentos, se ha informado que la fracción miofibrilar puede degradarse en mayor medida que otras fracciones musculares. ^{[ 104 ]} El patrón general demuestra que una rápida pérdida de peso muscular y contenido total neto de proteína miofibrilar (concentración (mg/g X peso muscular) ocurre durante los primeros 7-10 días de descarga y esto es seguido por una pérdida más gradual de estos constituyentes. ^{[ 94 ] [ 102 ]} El resultado neto es que entre el 25 y el 46% de la masa muscular puede perderse en los músculos antigravitatorios de la extremidad inferior como el sóleo (Sol; un músculo de la pantorrilla) y el vasto intermedio(VI; un músculo cuádriceps de capas profundas), que se componen principalmente de miofibras lentas de tipo I que contienen la proteína de cadena pesada de miosina lenta (MHC). La MHC es la proteína más abundante expresada en el músculo estriado; y esta proteína estructural/reguladora actúa como proteína motora que regula, en sinergia con su proteína compañera actina , el proceso de contracción que deriva la fuerza, el trabajo y la generación de potencia necesarios para que los grupos musculares produzcan tanto movimiento como actividades estabilizadoras (postura). También es importante señalar que los músculos sinérgicos de contracción rápida (que expresan isoformas rápidas de MHC) también se ven afectados, pero estos músculos y sus fibras aparentemente no son tan sensibles al estímulo de descarga como los tipos de músculo más lentos. En comparación con los tipos de músculo lentos y rápidos, la atrofia de los flexores articulares correspondientes , por ejemplo, los músculos tibial anterior y extensor largo de los dedos en la pierna, es notablemente menor. ^{[ 97 ]}

Los análisis histoquímicos e inmunohistoquímicos a nivel de fibra individual muestran claramente que el proceso atrófico observado a nivel macroscópico se debe a una reducción en el diámetro de las miofibras afectadas que componen los músculos individuales. Estas observaciones muestran que el tipo de fibra lenta es más sensible que los tipos de fibra rápida, lo cual es consistente con las determinaciones de masa muscular macroscópica. ^{[ 97 ] [ 113 ] [ 117 ] [ 118 ]} Por regla general, independientemente del músculo, las fibras más grandes , ya sean rápidas o lentas, son más sensibles al estímulo de descarga que sus contrapartes más pequeñas. ^{[ 97 ]}

Junto con el proceso de atrofia mencionado anteriormente, se observa que muchas (pero no todas) de las fibras lentas en músculos principalmente de tipo antigravitatorio (como el sóleo y el VI) también se inducen a expresar isoformas de miosina rápida. ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 117 ] [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ]} Esta transformación se manifiesta en gran medida en la expresión de fibras híbridas, en las que tanto la MHC lenta como la MHC rápida de tipo IIx o de tipo IIa se coexpresan simultáneamente. ^{[ 106 ] [ 113 ]} Estas observaciones sugieren que la MHC lenta es el objetivo de la degradación, evidenciada por la pérdida neta de MHC lenta en el músculo (fibras) atrófico, ^{[ 94 ] [ 104 ]} mientras que al mismo tiempo, según los análisis de pre-ARNm y ARNm , se produce una regulación positiva de los genes de MHC más rápidos mediante procesos transcripcionales y/o pretraduccionales. ^{[ 117 ] [ 122 ] [ 123 ]} Estudios más recientes sobre este tema sugieren claramente que la MHC de tipo IIx, que es una isoforma más rápida que la de tipo IIa, se expresa con mayor abundancia. A partir de estas observaciones, resulta evidente que la fracción miofibrilar, que es un componente clave del músculo, es objeto de degradación neta (como se indicó anteriormente) por dos razones:

1. La degradación de esta fracción permite que se manifiesten fibras de menor diámetro para satisfacer los requisitos reducidos de generación de fuerza, y
2. El desenrollamiento del sistema miofibrilar permite que las isoformas más rápidas de la MHC se incorporen a la maquinaria contráctil para reemplazar a las más lentas, de modo que el músculo pueda funcionar de manera más eficaz bajo una carga gravitacional reducida.

Proporciona información adicional al observar que el estado de descarga del vuelo espacial y del estrés térmico también aumenta la expresión de las bombas de calcio impulsadas por la ATPasa del retículo sarcoplásmico (SR) de tipo II rápido (SERCA II) mientras reprime la bomba de calcio SERCA de tipo I más lenta. ^{[ 124 ]} Dado que el ciclo del calcio se utiliza para regular la activación y relajación de las fibras, el componente SR de la fibra muscular controla la sincronía de los procesos de contracción-relajación. Dado que el ciclo del calcio y el ciclo de los puentes cruzados son los dos sistemas principales que representan la gran mayoría de la energía gastada durante la contracción muscular para sustentar el movimiento, cuando esta propiedad del músculo cambia a un sistema más rápido, el músculo puede funcionar de manera más eficaz en el entorno sin carga. Sin embargo, cuando el músculo se encuentra con entornos con un estímulo gravitacional alto, las propiedades más rápidas son inherentemente menos económicas para oponerse a la gravedad y, por lo tanto, las fibras musculares se fatigan más cuando se contraen contra una carga durante períodos prolongados. ^{[ 106 ]}

En contraste con el aparato contráctil, los estudios sobre varias enzimas metabólicas del músculo esquelético de roedores han revelado una variedad de respuestas sin cambios adaptativos claros en la expresión de enzimas oxidativas. ^{[ 97 ] [ 112 ] [ 113 ] [ 125 ]} Estas observaciones son consistentes con los resultados de estudios centrados en la función mitocondrial después de 9 días de vuelo espacial en los que no se observó reducción en la capacidad de las mitocondrias del músculo esquelético para metabolizar piruvato (un derivado de carbohidratos) ^{[ 103 ]} . Estos análisis se llevaron a cabo bajo condiciones metabólicas de estado 3, es decir, cantidades no limitantes de sustrato y cofactores para simular una demanda de recambio energético similar a la del ejercicio de alta intensidad. ^{[ 103 ]} Sin embargo, cuando se probó un sustrato de ácido graso, se observó una reducción en la capacidad de diferentes tipos de músculo para oxidar el ácido graso de cadena larga, palmitato. ^{[ 99 ]} Este último hallazgo concuerda con la observación de que los músculos expuestos al vuelo espacial aumentan el nivel de lípidos almacenados dentro de sus miofibras. ^{[ 112 ]} Además, el uso de la vía metabólica para la captación de glucosa aumenta en los músculos sometidos a HS. ^{[ 97 ]} Por lo tanto, si bien los datos enzimáticos son ambiguos, parece que en respuesta a estados de descarga, puede ocurrir algún cambio en la preferencia de sustrato por el cual los carbohidratos se utilizan preferentemente según la capacidad de utilización. Si este es el caso, podría resultar en una mayor tendencia a la fatiga muscular, si las reservas de carbohidratos se limitan durante episodios prolongados de actividad EVA.

Stevens y colaboradores ^{[ 126 ]} informaron que en análisis aislados de fibras individuales, se encontraron déficits en la capacidad de generación de fuerza junto con una sensibilidad reducida a la estimulación del calcio. Se observaron resultados similares para las fibras extensoras del tobillo, tanto lentas como rápidas, después de 14 días de vuelo espacial. Este estudio se centró en los aspectos de generación de fuerza de las fibras musculares. Al parecer, solo se han realizado dos estudios adicionales para examinar los efectos del vuelo espacial en las propiedades funcionales del músculo esquelético de roedores utilizando un conjunto de análisis más completo. Un proyecto se llevó a cabo durante 6 días ^{[ 105 ],} mientras que el otro implicó un vuelo de 2 semanas (SLS-2). ^{[ 106 ]} En ambos estudios, las mediciones se centraron en las propiedades fuerza-velocidad, que definen los límites de la capacidad funcional del músculo. Estos estudios se realizaron en el músculo esquelético sóleo, en el que predominan las miofibras de contracción lenta, debido a los cambios dinámicos en la morfología y el fenotipo de las fibras que se observaron en los otros estudios resumidos anteriormente. Los análisis en los animales se iniciaron dentro de las 6 horas posteriores al regreso del vuelo espacial. Los hallazgos mostraron que la fuerza máxima del músculo, estudiada in situ mediante un sistema de ergómetro programado por computadora, se redujo en un 24% después del vuelo de 6 días y en un 37% después del vuelo de 14 días. ^{[ 106 ]} Estos cambios fueron consistentes con el grado de atrofia observado tanto a nivel macroscópico como de miofibra individual. Además, se produjeron cambios en la respuesta fuerza-frecuencia del sóleo en los animales de vuelo, lo que sugiere un cambio a un fenotipo contráctil más rápido. Las velocidades máximas de acortamiento aumentaron en un 14% y un 24% en los grupos de vuelo espacial de 6 y 14 días, respectivamente. Estos aumentos intrínsecos en la velocidad de acortamiento se atribuyeron, en parte, a la expresión de novo del MHC tipo IIx rápido en muchas de las fibras musculares lentas. Por otro lado, tanto la capacidad de generar trabajo como la de generar potencia de los músculos atrofiados inducidos por el vuelo disminuyeron significativamente. Además, la resistencia a la fatiga disminuyó significativamente, al igual que la capacidad de mantener el trabajo y la potencia de salida en respuesta a un paradigma que implicaba una contracción repetitiva. ^{[ 106 ] [ 127 ]} Se han observado hallazgos similares utilizando enfoques analíticos comparables que involucran el modelo HS. ^{[ 118 ] [ 119 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 128 ]}En conjunto, los hallazgos indican claramente que cuando los músculos esqueléticos, especialmente aquellos con una gran proporción de miofibras lentas, experimentan atrofia y remodelación del fenotipo contráctil, la capacidad funcional del músculo se reduce, al igual que su capacidad para mantener el esfuerzo. Si una masa suficiente de tejido muscular en varios grupos musculares clave se viera afectada de manera similar, esto probablemente perjudicaría la condición física del individuo al realizar ejercicios de intensidad moderada.

Riley y colaboradores ^{[ 95 ] [ 114 ] [ 129 ]} han proporcionado una excelente sinopsis de la integridad estructural del músculo de mamíferos durante las primeras etapas después del regreso del vuelo espacial. Sus hallazgos sugieren que en los tipos lentos de músculo esquelético atrofiados, no hay evidencia de daño en las fibras cuando los músculos se toman de animales eutanasiados y procesados ​​durante el vuelo espacial. Sin embargo, las observaciones sugieren que durante las primeras 5 a 6 horas después del vuelo espacial (el momento más temprano en el que se puede acceder a los animales), se produce edema en los músculos antigravitatorios objetivo, como el sóleo y el aductor largo (AL). ^{[ 95 ]} Se cree que esto ocurre por un aumento del flujo sanguíneo a los músculos cuando se recargan inicialmente en oposición a la gravedad. Además, en ciertas regiones del AL, hay algunos indicios de daño en las fibras basados ​​en análisis histológicos de la integridad de la miofibrilla y la alineación de proteínas en el sarcómero. Si bien estas observaciones se notaron en aproximadamente el 2,5 % de las fibras del AL, no estaban presentes en el sóleo. Riley ha propuesto que la razón de la respuesta diferencial entre los dos grupos musculares es que los animales debilitados han alterado su postura y marcha de manera que se ejerce una tensión excéntrica sobre el AL, lo que resulta en cierto daño a las fibras. No se observó edema ni daño a las fibras en otra cohorte de animales estudiados 9 días después del aterrizaje. ^{[ 95 ]} Sin embargo, en estudios adicionales realizados tanto en vuelos espaciales como en roedores HS ^{[ 114 ] [ 129 ]} en los que se permitió que pasaran de 12 a 48 horas antes de analizar los músculos, las observaciones indicaron que la actividad normal en la jaula indujo lesiones significativas en los músculos después de que se permitió una reambulación suficiente. Estas incluyeron sarcómeros lesionados de tipo excéntrico, disrupciones miofibrilares, edema y evidencia de activación de macrófagos e infiltración de monocitos (marcadores conocidos de los procesos de reparación de lesiones en el músculo) dentro de las miofibras objetivo. ^{[ 114 ]}

La conclusión que se desprende de estos hallazgos es que, efectivamente, existe una propensión a las lesiones musculares secundarias al proceso atrófico que debilita el músculo, y dada la inestabilidad del animal tras el vuelo espacial, como se describió anteriormente, es muy probable que exista un potencial de lesión si se imponen estímulos estresantes al sistema muscular antes de que pueda recuperar su capacidad estructural y funcional adecuada.

Como se presentó anteriormente, la atrofia del músculo esquelético implica un desequilibrio entre los procesos que controlan la síntesis de proteínas (también conocida como traducción de proteínas) y aquellos que controlan la degradación de proteínas. Cuando ambos procesos están sincronizados, la masa muscular es estable. Sin embargo, si existe un desequilibrio tal que la vía de síntesis de proteínas disminuye en relación con la tasa de degradación, se producirá atrofia muscular. En el caso de la atrofia del músculo esquelético en respuesta a los vuelos espaciales o al estrés térmico, parece ocurrir una disminución en la capacidad de síntesis, así como un aumento en los procesos que regulan la degradación, creando una rápida respuesta de degradación neta al estímulo de descarga. Con base en la información disponible, se cree que este escenario implica la siguiente cadena de eventos. Al inicio de la descarga que involucra una amplia gama de modelos, incluidos los vuelos espaciales, ocurre una disminución en la actividad transcripcional y/o pretraduccional en el músculo esquelético que afecta a los genes MHC tipo I y IIa ^{[ 122 ],} así como al gen de la actina. ^{[ 123 ]} Esto resulta en un nivel reducido tanto de pre-ARNm como de ARNm (este último es un sustrato para la traducción de proteínas) para estas tres proteínas. Juntos, MHC y actina proporcionan la mayor parte de la fracción miofibrilar que representa la mayor parte de la proteína en la célula muscular. Simultáneamente, ocurre una disminución en la actividad de sistemas clave de enzimas proteína quinasa (constituyendo la vía PI3quinasa/akt/mTOR), que regula el aparato de síntesis de proteínas que controla la traducción de proteínas. ^{[ 130 ] [ 131 ]} Esta alteración, en combinación con una menor cantidad de sustrato de ARNm, contribuye colectivamente a una reducción en la capacidad neta para la síntesis de proteínas. Ocurre simultáneamente con este proceso es la regulación positiva de un conjunto de genes que codifican proteínas que desempeñan un papel regulador en el aumento de la degradación de proteínas. Estos incluyen el gen de la miostatina, ^{[ 130 ] [ 131 ]} el gen de la atrogina 1 , ^{[ 130 ] [ 131 ]} y un gen llamado proteína del dedo anular muscular (MURF). ^{[ 131 ]} La miostatina es un factor de transcripción anticrecimiento, que se cree que modula negativamente los genes que promueven el crecimiento. La atrogina y MURF son ligasas E3 que son responsables de ubiquitinar proteínas diana para marcarlas para su degradación en un sistema denominado proteasoma. Se ha informado que esta proteína MURF es un regulador clave para dirigir específicamente la degradación de las proteínas MHC de tipo I y tipo IIa. ^{[ 132 ]}

Como resultado de la reducción en la capacidad neta para la síntesis de proteínas y el aumento de la degradación de proteínas, se produce una pérdida neta de proteína muscular en la fibra muscular junto con un cambio en la proporción relativa del contenido de proteína MHC, ya que los hallazgos disponibles muestran que los genes MHC más rápidos se regulan positivamente durante la atrofia muscular. ^{[ 122 ]} Por lo tanto, esto resulta en un fenotipo muscular más pequeño y rápido, que es aparentemente más adecuado para el rendimiento muscular en estados de descarga. La cadena de eventos descrita anteriormente debe atenuarse o revertirse para que el músculo funcione de manera óptima cuando se enfrenta a un estímulo gravitacional aumentado al regresar a la Tierra o al pasar de baja gravedad (microgravedad) a entornos gravitacionales más altos, como el aterrizaje en la Luna o Marte. Es evidente que la mejor estrategia para lograr esta tarea es a través de un programa de contramedidas vigoroso que proporcione un alto nivel de estrés mecánico para prevenir el desequilibrio en la expresión de proteínas que ocurre cuando el músculo no se carga lo suficiente durante períodos significativos sin un estímulo anabólico intermedio.

La única otra especie además de la rata que ha sido involucrada en estudios de vuelo espacial sobre músculo esquelético es el mono rhesus. Dos monos volaron al espacio durante 14 días en el satélite Bion 11. Fueron comparados con animales de control en vivario en tierra, así como con un grupo restringido a una silla que implicaba la inmovilización del brazo y el hombro. Los resultados de estos estudios proporcionaron las siguientes conclusiones. Las fibras individuales (lentas y rápidas) del mono mostraron propiedades funcionales que estaban más alineadas con las de las fibras humanas que con las de los roedores, en el sentido de que las fibras eran más grandes pero menos potentes por unidad de área de sección transversal que las fibras de roedores. ^{[ 133 ] [ 134 ]} Sin embargo, en análisis pre y post-vuelo de fibras individuales, las fibras lentas tanto en los músculos sóleo de contracción lenta como en los tríceps experimentaron mayor atrofia y reducciones en la producción de fuerza y ​​potencia que las fibras de contracción rápida. Además, las transformaciones en el perfil de la cadena pesada de miosina indicaron que había un mayor nivel de fibras híbridas lentas/rápidas en los dos grupos musculares diferentes. ^{[ 134 ] [ 135 ]} La inmovilización del grupo muscular del tríceps produjo respuestas similares, pero la magnitud del cambio fue mucho menor que la observada en los animales del vuelo espacial. ^{[ 135 ]}

Experimentos adicionales realizados en estos mismos animales, que involucraron la actividad locomotora antes y después del vuelo espacial a través de registros electromagnéticos musculares y de fuerza tendinosa, respectivamente, demostraron que el control postural y locomotor se vio comprometido por el vuelo espacial como se ha observado en humanos. ^{[ 136 ]} Estas alteraciones se manifestaron principalmente en señales relacionadas con la carga modificadas como se reflejó en el sesgo de reclutamiento relativo alterado de los músculos flexores versus extensores y grupos de unidades motoras rápidas versus lentas. En un estudio de vuelo adicional (Vuelo Cosmos 2229) que involucró a dos monos rhesus, se obtuvieron registros EMG antes, durante y después del vuelo espacial. ^{[ 137 ]} Estos experimentos fueron únicos en que los registros obtenidos durante el vuelo espacial revelaron un cambio preferencial en los patrones de reclutamiento que favorecía al gastrocnemio medial rápido versus su músculo sóleo lento sinérgico, es decir, el patrón de reclutamiento normal se invirtió; y esta alteración se mantuvo hasta bien entrada la etapa de recuperación después del vuelo espacial, lo que sugiere además una reorganización del sistema neuromotor durante e inmediatamente después de la exposición a la microgravedad.

Por lo tanto, resulta evidente que las fibras musculares esqueléticas de humanos, monos y roedores comparten patrones similares de alteraciones de las miofibras que, en el caso de monos y humanos, también están vinculados a un rendimiento motor alterado en respuesta a diferentes estados de descarga, uso reducido y retorno a un entorno gravitacional terrestre.