Rymdmedicin: utmaningar och möjligheter med rymdfärder

I takt med att mänskligheten ökar sin närvaro i rymden ställs den medicinska vetenskapen inför nya problem. Sedan millennieskiftet har vi oavbrutet haft människor utanför jordens atmosfär på den internationella rymdstationen ISS, och siktet är nu inställt på månen och Mars. Att resa till och vistas i rymden är kopplat till ett flertal fysiologiska och psykologiska effekter och risker som kan interagera och därmed försvåra medicinska riskvärderingar. Denna översikts­artikel ger en sammanfattning av de medicinska utmaningarna och möjligheterna med rymdfärder.

Tyngdlöshet

Gravitationen påverkar allt i våra kroppar, och den evolutionära anpassningen är både anatomisk och fysio­logisk. Skelett och muskler arbetar konstant mot gravitationen, vilket stimulerar tillväxt. I stående position skapar gravitationen en hydrostatisk tryckgradient i blodcirkulationen som förutsätter klaffar i nedre extremiteternas vensystem, men inte cerebralt. Balansorganet använder gravitationsvektorn som sensorisk input. Ändras gravitationen påverkas således många grundläggande funktioner i kroppen. I rymden råder mikrogravitation med i princip fullständig avsaknad av nettokraft på kroppen, även kal­lat tyngdlöshet. 

Sensomotorisk och cerebral adaptation

Vårt sensomotoriska system består av det vestibulära systemet i innerörat, som reagerar på rörelse och riktning, det somatosensoriska systemet som ger proprioception genom att registrera tryck och drag i muskler, leder och hud samt syn och hörsel. Det sensomotoriska systemet är kalibrerat till jordens gravitation, och vid förändring av gravitationen får vi problem. Motstridiga signaler från olika delar i systemet orsakar desorientering, nedsatt koordination och finmotorik, illusion av rörelse samt oförmåga att förflytta sig i mörkret, och detta kallas gemensamt för »space adaptation syndrome« (SAS) [1, 2]. SAS tros i sin tur orsaka det övergående men potentiellt funktionsnedsättande syndromet rymdsjuka (space motion sickness), som är värst de första dagarna vid förändrad gravitation och drabbar även erfarna astronauter [3]. Symtomen inkluderar yrsel, huvudvärk, matthet, illa­mående och kräkning samt försvårad spatial orientering [1].

Anpassning till en så dramatisk förändring som tyngdlöshet sker till stor del tack vare det centrala nervsystemets (CNS) plasticitet. Efter vistelse i tyngdlöshet har man sett strukturella förändringar i hjärnan som kan vara kopplade till neuro­plasticitet på grund av mikrogravitation [4-7]. 

Kardiovaskulära effekter. I tyngdlöshet upphör den hydro­statiska tryckgradienten, och vi får en centralisering och kranialisering av blodvolym och lymfa. Förutom de mer synliga effekterna, såsom ansiktssvullnad (»puffy face«) och avsmalnade ben (»chicken legs«), triggar den ökade centrala blodvolymen en rad autonoma reflexer [8, 9]. Dilatation av förmaken leder till en kraftig ökning av natriuretiska peptider, vilket stimulerar kärlpermeabilitet, vasodilatation samt vätske- och saltutsöndring [9], och till en minskning av plasmavolym med 10–15 procent [8, 10, 11]. Längre tids tyngdlöshet leder till hjärtmuskelatrofi [11, 12], men effekten på hjärtfrekvens, blodtryck och hjärtminutvolym är omstridd, då studier har visat både ökade, minskade och oförändrade värden [8, 11]. Ortostatisk intolerans ses hos 28‒65 procent av astronauterna vid återkomst till gravitation, vilket kan innebära ett allvarligt problem om omedelbar aktivitet krävs, till exempel på månen eller Mars eller vid evakuerin­gar [9, 11, 13]. Rymdfärd medför kardiovaskulära förändringar, som är kopplade till en ökad risk för hjärt‒kärlsjukdom [14, 15], men incidensen verkar vara samma för astronauter som för befolkningen i stort [16].

SANS (spaceflight-associated neuro-ocular syndrome).Kliniska och radiologiska ögonförändringar har observerats hos en majoritet av astronauterna som vistats en längre tid i rymden [17] och kan bestå flera år efter återkomsten till jorden [18]. SANS är ett samlings­begrepp för dessa ögonförändringar och inkluderar tilltagande närsynthet, bomullsexsudat, koroidala veck, ödem i den optiska disken, uttänjning av den optiska nervskidan och tillplattning av glaskroppen [17, 19, 20]. Patofysiologin är fortsatt oklar, men ökat intrakraniellt tryck orsakat av venös stas och minskad resorption av cerebrospinalvätska tros vara en viktig komponent på grund av de symtomatiska likheterna med idiopatisk intrakraniell hypertension [4, 18]. 

Ödem i den optiska disken kan ge permanent synnedsättning, koroidala veck kan orsaka synförvrängning och nedsatt synskärpa som inte kan korrigeras med glasögon, förändrad refraktion påverkar synskärpan och en tillplattning av ögat ökar risken för samtliga tillstånd. Uppemot 70 procent av astronauterna uppvisar SANS, och 16‒19 procent har kliniskt signifikanta symtom [19]. Därför utgör tillståndet en kritisk risk för kommande rymdfärder, då vi inte vet hur längre färder kommer att påverka incidensen, allvarlighetsgraden eller återhämtningen [20-22].

Det muskuloskeletala systemet

Tyngdlöshet minskar belastningen på det muskulo­skeletala systemet, vilket leder till muskelatrofi och urkalkning av skelettet. Detta medför minskad styrka och ökad frakturrisk, vilket i sin tur är en signifikant risk vid längre rymdfärder och återinträde till gravitation [21, 23, 24].  En stor del av astronauternas uppgifter under rymdfärd består av att motverka dessa risker. 

Effekt på skelett. Tyngdlöshet leder till 1‒1,6 procents minskning av densitet per månad, mer uttalad i trabekulär och viktbärande benvävnad, såsom ryggrad, lårben och bäcken [25, 26]. Hastigheten med vilken demineraliseringen sker är beroende av i vilken utsträckning benet är viktbärande vid normal gravitation [24, 26-30]. Negativ kalciumbalans bidrar också till förlust av benmassa hos astronauterna, och tillsammans leder dessa faktorer till hyperkalcemi och ökad risk för njursten, vilket är en medicinsk nöd­situation på ISS [31-33]. Skelettets arkitektur påverkas också av tyngdlöshet, vilket kan leda till ökad frakturrisk även på sikt. Detta är ett riskmoment vid övergången mellan mikrogravitation och partiell gravitation, till exempel efter en lång rymd­resa till Mars, och kan göra att vanliga aktiviteter innebär en frakturrisk [24, 25, 34, 35]. Återhämtningen av benmassa tar ca 6 gånger så lång tid som den föregående förlusten och sker något snabbare hos kvinnor än hos män [34-36]. För mer djup­lodande läsning rekommenderas översiktsartikeln om mikrogravitation och skeletal funktion av Man et al från 2022 [26].

Effekt på muskler. Muskelfunktionen påverkas negativt av bristen på belastning i tyngdlöshet, en negativ energibalans samt kardiovaskulära ändringar och anemi orsakade av rymdfärd [37]. Muskelatrofin utvecklas gradvis och följer samma mönster som benresorptionen, med snabbast och störst nedbrytning i viktbärande muskler såsom nedre extremiteter; den kan uppgå till 24 procent inom 200 dagar, men tros plana ut till 70 procent med tiden [26, 29, 38-40]. Muskelstyrkan minskar 1,5–3 gånger mer än muskelmassan (i procent), vilket indikerar en försämrad neuro­muskulär funktion och adaptation i muskelns arkitektur [40-42]. Detta är en betydande risk för både astronauterna och uppdraget, speciellt vid längre rymdfärder exempelvis till Mars, då man uppskattar 15 ­procents förlust av kroppsmassa trots förebyggande träning [37]. På grund av förbättrade åtgärder visar nyare studier från ISS endast små minskningar av aero­b kapacitet och reducerad minskning av muskelstyrka [43].

Behandling och förebyggande åtgärder

Rymdsjuka behandlas och förebyggs på samma sätt som vanlig åksjuka, med skopolamin och prometazin, som har samma biverkningar i rymden som på jorden [1, 3]. Ingen behandling av SANS finns tillgänglig i nuläget. Förändringar i refraktion hanteras med flera glasögon med olika brytningar.

En rad åtgärder för att minska nedbrytningen av det muskuloskeletala systemet har implementerats med varierande resultat. Styrketräning och aerob träning i kombination med bisfosfonater, vitamin D och kalciumtillskott stimulerar osteogenesen och har god effekt på de kardiovaskulära och muskuloskeletala följderna, men är väldigt tids- och utrymmeskrävande och har varierande resultat beroende på protokolluppföljning och balans mellan aerob träning och styrketräning (Fakta 2) [21, 41, 43-49]. 

Strålning

Strålning är energi som fortplantas i form av vågor eller partiklar. När energin kan rycka loss elektroner från atomerna kallas den för joniserande strålning och kan leda till cancer, hjärt‒kärlsjukdom, skador på CNS och akuta strålskador. Vi utsätts konstant för joniserande strålning, men i mycket små mängder tack vare jordens skyddande magnetfält och tjocka atmo­sfär. I rymden utsätts astronauterna för relativt låga doser, men under lång tid, vilket är en kritisk utmaning [50-52]. 

Strålningseffekt

Det finns tre typer av strålning i rymden: kosmisk strålning, solstormar och strålningsbälten (Fakta 3), och de biologiska effekterna kan vara omedelbara eller utvecklas över tid.  

Akut strålsjuka induceras av en hög exponering för strålning under kort tid, såsom vid en solstorm [53]. Det omedelbara illamåendet med kräkningar kan leda till kvävning om exponeringen sker under uppdrag i rymddräkt, och benmärgspåverkan kan leda till neutropen sepsis [50]. Risken för akuta effekter bedöms dock som låg jämfört med den låggradiga och konstanta kosmiska strålningen vid rymdvistelse. Strålningsmängden på ett uppdrag till Mars motsvarar flerfalt den i dag accepterade livstidsgränsen [21, 54, 55]. NASA (National Aeronautics and Space Administration) har identifierat fyra strålningsrelaterade riskområden för astronauter: cancerogena effekter, degenerativ vävnadsskada, CNS-effekter och strålsjuka [50]. 

Cancer. Trots att exponering för joniserande strålning är förknippad med högre incidens av cancer finns ännu inga belägg för ökad incidens hos astronauter. Vid den senaste sammanställningen av samtliga amerikanska astronauter (n = 338) sågs tvärtom en lägre cancer­relaterad mortalitet jämfört med den amerikanska befolkningen, men däremot ingen minskad risk för insjuknande [56]. Vävnadsstudier på astronauter visar dock tecken på oxidativ stress och DNA-­skador associerade med cancerutveckling [57, 58], och djurstudier talar för att partikelstrålning, som kosmisk strålning, leder till malignifiering oftare, snabbare och i en mer aggressiv form jämfört med röntgenstrålning i samma dos [59-64].

Degenerativ vävnadsskada. Sjukdomar i hjärt‒kärlsy­stemet är en känd biverkan av strålbehandling [65, 66], men ingen överdödlighet i hjärt‒kärlsjukdom har hittills observerats hos astronauter [67]. Djurstudier talar för att partikelstrålning kan leda till kardiell fibros­utveckling [68], hypertrofi [69], hjärtsvikt [69], aortaskador [70, 71] och degenerativa förändringar på kranskärl [72].

CNS-effekter. Strålning i samband med cancerbehandling har visats kunna orsaka neurologiska skador, men det är oklart om strålning i samband med rymdfärder har liknande effekt [50, 73]. Djurstudier har visat på minskad neurogenes i hippocampus [74] samt neuroinflammation [75] och beteende- och minnesförändringar [76-78], men det är inte klarlagt om dessa även sker hos människor och om de i så fall har klinisk relevans [77]. 

Förebygga och behandla

I nuläget finns inte många alternativ för vare sig före­byggande eller behandling av strålningsskador. Genom att planera uppdragen för att minimera tran­sitionstid och undvika solstormsexponering minskas risken för akut strålsjuka [21]. De nuvarande rymdfarkosterna skyddar inte mot den högenergetiska kosmiska strålningen, och med dagens teknologi skulle skyddande rymdfarkoster bli för tunga för att bli praktiskt användbara.

Psykosociala aspekter

Rymdfärder är en utmaning för astronauters mentala hälsa och kan påverka humör, beteende och kognition samt även leda till förändringar i hjärnan. Stressorerna är rymdrelaterade (tyngdlöshet och strålning [79-81]), farkostrelaterade (ljus, ljud, lukt, vibration och temperatur [82]) och sociala (rörelseinskränkning, avsaknad av privatliv, isolering från familj och vänner samt intensivt, monotont och strikt kontrollerat arbete [83-87]). Dessa stressorer kan orsaka nedsatt inlärning och minne [79, 88], ökad ångest och andra beteende­förändringar [79, 88], hallucinationer och annan sensorisk påverkan [89] samt rubbad dygnsrytm och störd sömn [90, 91]. Försämrat mående ökar risken för olyckor och misstag, påverkar den sociala interaktionen och leder till ökade stresspåslag och humörsvängningar [91-93]. Man har sett radiologiska CNS-förändringar som tros vara kopplade till detta och som kvarstår många månader efter avslutad rymdfärd [79, 94]. Uppemot 75 procent av astronauterna använder läkemedel som påverkar sömn och humör, såsom zolpidem, bensodiazepiner, melatonin och quetiapin [95]. Gruppsammansättningen är viktig för besättningens mentala hälsa och uppdragets framgång, och därför läggs stor vikt på individuell uttagning och slutlig sammansättning av besättningen [87, 96-99].

Sjukvård

Även i rymden kan man drabbas av vanliga åkommor, och beredskap för detta finns. På ISS sker sjukvården via kommunikation med jorden och med evakuering om nödvändigt, men detta kommer inte att gå när uppdragen rör sig längre bort från jorden [100]. De vanligaste åkommorna är muskuloskeletala besvär, hudbesvär, huvudvärk och nästäppa [100]. Skador är vanliga, ca 0,02 per dygn i rymden, och träningsrelaterade skador är vanligast. Dessutom skadas en astronaut på var tredje rymdpromenad [101]. 

Utredning

Laboratorieprov. Standardparametrar som puls, blodtryck och saturation kontrolleras kontinuerligt i forskningssyfte. Blod- och urinprov tas regelbundet på ISS, men kan i dagsläget inte analyseras utan fryses och används i forskningssyfte på jorden [100]. Detta innebär att inga utredningar via laboratorieanalyser kan göras i nuläget.

Ultraljud. Ultraljud har använts på ISS sedan 2002 [100]. Initialt var indikationen enbart retroperitoneala förändringar och bäckenundersökningar, men har ut­ökats till att inkludera bland annat metoden FAST (focused assessment in sonographic technique) [102], ögonskador [103] och axelskador [104]. Forskning pågår för att använda ultraljud till att behandla njursten och frakturer [100].

Behandling

Farmakologisk behandling. Både farmakokinetik och farmakodynamik påverkas av rymdfärder, och för den intresserade finns en djuplodande översiktsartikel av Dello Russo et al från 2022 [105]. Förändrad tarmmotilitet och tarmflora, interstitiella ödem samt tillstånd som rymdsjuka kan påverka upptaget av perorala läkemedel. Ändrad levermetabolism och blodflöde kan ändra förstapassagemetabolismen och eliminationen. Förändrad vätskedistribution, minskad plasmavolym och endotel­dysfunktion kan påverka proteinbindningen och plasmakoncentrationen och därmed läkemedelsdistributionen. Det är också oklart hur läkemedel påverkas av strålning. Inverkan på den kemiska stabiliteten kan göra ett läkemedel ineffektivt eller toxiskt [100, 105, 106].

Invasiva åtgärder. Även om kirurgi aldrig har utförts på ISS förväntas behovet uppstå i takt med längre rymdfärder, och traumatiska skador bedöms då utgöra den största risken [100, 107]. Kirurgi i mikrogravitation har testats i djurmodell, och generell anestesi, förslutning av sår och sårläkning, kontroll av perioperativa vätskor samt perioperativ monitorering verkar fungera som på jorden [108]. Laparoskopisk teknik är lockande, och studier utförda under parabola flygningar talar för att detta är möjligt [109-111]. Med förutsättningen att patient, kirurg och utrustning är adekvat förankrade bedöms ingrepp inte vara svårare rent tekniskt [108, 109, 111, 112]. Intubation med direkt laryngoskopi påverkas av mikrogravitation i större utsträckning än videolaryngoskopi, speciellt för ut­övare med mind­re erfarenhet [113]. Anläggning av suprapubiskateter [114] och administration av intravenös vätska [115] går att utföra i mikrogravitation.

Forskning

Tack vare forskningen kan människor vistas i rymden, och mycket forskning återstår innan längre resor är möjliga. Ett flertal svenska forskargrupper har framgångsrikt bidragit till den humanfysiologiska rymdforskningen [41, 49, 89, 116-124].

Forskning i rymden

Tyngdlöshet möjliggör forskning på organsystem utan påverkan av gravitation, såsom effekten på det vestibulära systemet och relationen mellan ventilation, diffusion och perfusion utan påverkan av lungvävnadens tyngd. Frågor som studeras är till exempel vilken träning som är mest effektiv för att motverka muskelatrofi, hur frånvaron av konvektion påverkar temperaturreglering vid fysiskt arbete samt behandling och förebyggande av bennedbrytning [125-130]. För den intresserade finns utförliga riktlinjer utfärdade av NASA [131] och ESA (Europeiska rymdorganisationen)/EU [132]. 

Forskning på jorden

Logistiska och ekonomiska utmaningar begränsar mängden forskning i rymden, och därför används analoga miljöer. Det finns många fördelar med att göra analoga experiment på jorden jämfört med i rymden: man har större kontroll, kan undersöka fler, ha relevanta kontrollgrupper och använda annan mät­utrustning. NASA:s »Space radiation laboratory« är ett stort centrum för strålningsrelaterade djurförsök [133]. »Bedrest« (sängläge) är en markbaserad simuleringsmodell för att studera tyngdlöshetens effekt på kroppen och innebär att försökspersoner är sängliggande i många veckor (Fakta 5) [134]. Isoleringens psykosociala och fysiologiska effekter studeras på geografiskt isolerade forskningsstationer eller i isoleringskammare, där man försöker efterlikna situationen i en rymdfarkost [135]. Parabolflygning är ett sätt att uppnå tyngdlöshet på jorden. När ett flygplan genomför en parabolflygning uppnås tyngdlöshet under ca 20 sekunder då planet är i fritt fall överst i parabolen.

Sammanfattning

Människor är anpassade till ett liv på jorden, och den extrema miljön i rymden påverkar våra grundläggande funktioner. Mänsklig utforskning av rymden innebär påtagliga medicinska risker för astronauterna, och även om ytterligare forskning kan minska dem kommer vi aldrig att kunna eliminera dem helt. Men den fortsatta utvecklingen kan göra oss till en interplanetär art och samtidigt fortsätta förbättra livet på jorden.

Läs mer: Författarintervjun med Olivia Kiwanuka