Деминерализация костей в невесомости¶

Деминерализация костей в невесомости — это патологический процесс снижения минеральной плотности костной ткани у человека и животных в условиях микрогравитации, возникающий вследствие отсутствия или значительного уменьшения механической нагрузки на скелет. Является одним из основных физиологических последствий длительных космических полётов, наряду с атрофией мышц, перераспределением жидкостей и нарушением работы вестибулярного аппарата.

¶Механизм развития

В нормальных земных условиях костная ткань постоянно обновляется за счёт сопряжённых процессов резорбции (разрушения) и остеосинтеза (образования новой кости). Ключевую роль в этом балансе играют остеокласты (клетки, разрушающие кость) и остеобласты (клетки, синтезирующие костный матрикс). Механическая нагрузка, создаваемая гравитацией и мышечными сокращениями, стимулирует остеобласты и подавляет активность остеокластов.

В невесомости опорная нагрузка на позвоночник и нижние конечности практически исчезает. Организм воспринимает это как сигнал к ненужности массивного скелета и запускает процессы адаптации: активность остеокластов возрастает, а остеобластов — снижается. В результате костная резорбция начинает преобладать над костеобразованием, что приводит к потере кальция и фосфора, истончению кортикального слоя и разрежению трабекулярной (губчатой) структуры кости.

¶Скорость и локализация потерь

Средняя скорость потери костной массы в условиях микрогравитации составляет от 1 до 2 % в месяц. Для сравнения, у женщин в постменопаузе при остеопорозе этот показатель составляет около 1–2 % в год. Потери распределяются неравномерно: в наибольшей степени страдают кости нижних конечностей (пяточная кость, бедренная, большеберцовая) и поясничный отдел позвоночника, поскольку именно они в норме несут основную гравитационную нагрузку. Кости верхних конечностей и черепа теряют минеральную плотность в значительно меньшей степени.

Исследования, проведённые на орбитальных станциях «Салют», «Мир» и МКС, показали, что за полгода пребывания на орбите космонавт может потерять до 10–15 % минеральной плотности костной ткани в наиболее нагруженных отделах скелета.

¶Обратимость процесса

В отличие от некоторых других изменений, вызванных невесомостью, деминерализация костей является частично обратимой. После возвращения на Землю под действием гравитации и физических нагрузок костная ткань постепенно восстанавливается. Однако, как показывают наблюдения, полное восстановление занимает длительное время (от одного до трёх лет) и происходит не всегда: у части космонавтов, совершавших длительные полёты, остаточная потеря минеральной плотности сохраняется годами. Особенно проблематично восстановление трабекулярной кости, которая восстанавливается хуже и медленнее, чем кортикальная.

¶Методы профилактики

Для предотвращения или замедления деминерализации костей в космических полётах применяется комплекс мер:

• Физические упражнения. На борту МКС космонавты обязаны ежедневно заниматься на специальных тренажёрах: беговой дорожке с системой притяга, велоэргометре и силовом тренажёре ARED, создающем нагрузку до 270 кг. Режим тренировок составляет не менее 2 часов в день.
• Фармакологическая поддержка. Применяются препараты кальция и витамина D3, а также бисфосфонаты (например, алендроновая кислота), подавляющие активность остеокластов.
• Искусственная гравитация. Рассматривается как перспективный метод, однако до настоящего времени не реализована на практике в длительных полётах. Эксперименты с центрифугами малого радиуса проводятся на Земле и на орбите, но их эффективность пока не подтверждена окончательно.

¶Значение для будущих миссий

Проблема деминерализации костей считается одним из главных препятствий для осуществления длительных межпланетных перелётов, в частности пилотируемой экспедиции на Марс, которая займёт около двух-трёх лет. При нынешних темпах потери костной массы такая экспедиция может привести к критическому снижению прочности скелета, повышению риска переломов и развитию мочекаменной болезни из-за повышенного выведения кальция с мочой. Разработка эффективных мер противодействия деминерализации является приоритетным направлением космической медицины.

¶Источники

• Газенко О. Г., Григорьев А. И., Егоров А. Д. «Космическая биология и медицина».
• Космическая биология и медицина: совместное российско-американское издание в 5 томах.
• Данные NASA и Роскосмоса по медицинскому обеспечению экипажей МКС.
• LeBlanc A. et al. «Bone mineral and lean tissue loss after long duration space flight» (J. Musculoskelet Neuronal Interact, 2000).