A világűr meghódítása és a Holdra, továbbá a szomszédos bolygókra való eljutás az emberiség régi álma. A Holdra már több mint 50 éve eljutott az ember, valamint a Nemzetközi Űrállomáson (International Space Station) is többen teljesítettek több hónapos szolgálatot a súlytalanság körülményei között. A súlytalanságnak, továbbá az ún. mikrogravitációnak lehetnek rövid- és hosszú távú hatásai az emberi szervezetre, illetve látásunkra. Ezen belül megkülönböztetünk rövidtávú hatásokat, Short Duration SpaceFlight (SDSF), továbbá hosszú távú hatásokat, Long Duration SpaceFlight (LDSF). A rövidtávú hatásnak számít a 6 hónapon belüli űrutazás, hosszú távú hatás a 6 hónapot meghaladó súlytalanság állapotában való tartózkodás.
Az űrhajósokat érő szemészeti hatások a magyar űrhajós programmal nálunk is előtérbe kerülnek és a magyar űrhajózási programnak fontos része lehet a szemészeti és belgyógyászati eltérések további elemzése. A programba történő kiválasztáshoz a Semmelweis Egyetem Szemészeti Klinikáján számos elővizsgálatot végeztünk, amelynek összegzése egy későbbi közlemény témája lesz. Jelen kéziratban a jelenleg ismert belsőszervi és szemészeti eltéréseket kívánjuk összefoglalni a patofiziológiai jellemzők ismertetése mellett.
A szervezetben, mint az ismeretes fiziológiás változások következhetnek be a súlytalanság állapotában a vázizom-rendszerben, szkeletális izomatrófia alakulhat ki, ezért az asztronautáknak különféle edzésprogramokat fejlesztettek és fejlesztenek ki. Csökken a csontállomány is, a kardiovaszkuláris rendszerben is degeneratív folyamatok indulhatnak és további belszervi tünetek alakulhatnak ki.

A legfontosabb belszervi változások

Földi körülmények között az izmok és a csontok állandó terhelésnek vannak kitéve. A súlytalanság állapotában az egyik legismertebb változás a csontsűrűség-vesztés, amely hosszabb időtartamú űrutazásoknál akár csonttöréshez is vezethet. A másik ilyen hatás az izomvesztés (1). A csökkent izomaktivitás miatt az űrhajósok izomtömege csökkenhet, ezért fizikai teljesítményük és állóképességük csökken, folyamatosan edzésben kell tartaniuk magukat. A folyadékegyensúly megbomlása miatt vese- (2) és szívproblémák (3) léphetnek fel, a nyirokrendszer változásai az immunrendszer csökkenéséhez vezethetnek. A légzés nehézkessé válhat (tüdő ödéma). A tüdőben lévő levegő nagyobb térfogatot foglalhat el, ennek oka, hogy nincs gravitációs hatás, amely az alveolusokat összenyomná, a légzés hatékonysága csökken (5). A nagyobb erekből (aorta) kevesebb vér áramlik a láb felé, ezzel szemben több vér áramlik a felső végtagok és a fej felé. A gyomor és a belek érintettsége miatt emésztési problémák, hasi puffadás alakulhat ki, alkalmanként hányinger, hányás, hasmenés alakulhat ki (5, 6). Kedvezőtlen pszichológiai hatások is felléphetnek, mivel hosszú időt kell eltölteniük zárt térben, ahol a mozgástér jelentősen korlátozott. Stressz, szorongás, álmatlanság léphet fel az elszigeteltség és a zárt tér miatt.

Enzimszintű változások

A súlytalanság csökkenti a máj fehérjeszintézisét, a testben fehérjehiány alakulhat ki, következményes ödémákkal. A lipidanyagcsere is megváltozhat, amely kedvezőtlenül változtathatja a máj zsíranyagcseréjét és az epetermelést. A máj glikogénraktározása is kedvezőtlenül alakulhat, azaz csökkenhet a máj glikogénszintje, amely a test energiaszintjét és teljesítményét csökkenti. A májenzimek szintjének általános csökkenése miatt a gyógyszerek lebomlása is változhat (6).

Szemészeti panaszok

Az űrhajósok általános szemészeti panaszai közül kiemelhetők a következők: látásromlás, sokszor panaszkodnak a látóélesség csökkenésre, romlik a távolságérzés és a színek érzékelése. A vakfolt megnagyobbodása látótérvizsgálattal igazolható, emellett csökken a kontrasztérzékenység, a világos és sötét területek elkülönítése nehézkes lehet. Az űrhajósok gyakran panaszkodnak fejfájásról, ennek okai között szerepelhet az oxigénszint csökkenése, illetve az űrrepülés kezdetén a szemnyomás megemelkedése. A gondosan kivitelezett szemfenék-vizsgálat papillaödémát és strukturális retinaeltéréseket igazolhat (7, 8).

Space Flight Associated Neuro-Ocular Syndrome = SANS

A szemben kimutatható strukturális elváltozásokat Űrutazással Kapcsolatos Neuro-Ocularis Tünetegyüttesnek (Space Flight Associated Neuro-Ocular Syndrome = SANS) nevezzük. Ezeket a strukturális elváltozásokat különböző képalkotó eljárásokkal lehet jellemezni és leírni. Ilyen műszeres vizsgálat az OCT és az MRI.

A neuro-ocularis elváltozásokat másik összefoglaló néven VIIP-szindrómának (Visual Impairment and Intracranial Pressure) néven szokták emlegetni, amely a kórkép patofiziológiai jellegére is utal, azonban a pontos mechanizmus egyes részletei még tisztázásra várnak.
A legfontosabb szemet érintő SANS- eltérések a fénytörés hypermetropia irányába történő eltolódása (hypermetropiás shift), a látóidegfő ödémája, a retinában és a chorioideában észlelhető redők (folds) kialakulása, a retinában az esetek egy részében észlelhető gyapottépésszerű gócok megjelenése. Klinikailag a papillaödéma lehet egyoldali, vagy kétoldali, lehet szimmetrikus és aszimmetrikus is. A hypermetropia kialakulásának hátterében a bulbus hátsó falának előrébb helyeződése (posterior globe flattening) állhat (9, 10). Gyakran OCT-vel vizsgálva az idegrostréteg megvastagodását észlelheti a vizsgáló.

Nagyon fontos, hogy eddig a rövid távú űrutazások voltak az érdeklődés fókuszában, de a későbbiekben, a Holdon kívül a távolabbi bolygók ember általi meglátogatása is egyre valószínűbbé válik. Ebben az esetben az 1-3, vagy akár 5 évre tervezett űrutazások során szervezetet/szemet érő hatások nem elhanyagolhatóak és érdemes földi körülmények között is modellezni a potenciális mellékhatásokat. Az egyik leggyakrabban alkalmazott modell az úgynevezett Head Down Tilt Bend Test (HDTBT), azaz a fejet 6 fokkal lejjebb helyezik egy fekvőágyon, amelynek során a mikrogravitációs környezet hatását lehet megfigyelni.

Egy átfogó vizsgálatban az űrhajósok látással kapcsolatos elváltozásait a látóélesség vizsgálatával kezdték normál pupillatágasság, majd cycloplégiában végzett távoli és közeli visus meghatározásával, a legjobb látáshoz szükséges korrekció megállapítása mellett. A szemfenéki vizsgálatot és fundusfelvételek elkészítését követően retinavizsgálat és OCT-felvételek készültek, amelyet későbbiekben az űrrepülést követően is elvégeztek. A repülés előtt és után is agyi MRI-vizsgálat történt, valamint néhány esetben lumbálpunkciót végeztek a nyomásviszonyok és a cerebrospinalis folyadék összetételének vizsgálata céljából.

Az űrutazások során a szervezetet érő legfontosabb hatások a mikro­gravitás, vagy a gravitáció hiánya, a hypercarbia, azaz a magasabb CO2-szint és a kozmikus sugárzás.
Az eddigi tapasztalatok alapján a mikrogravitációs környezetben 6 hónapnál rövidebb űrutazások során az asztronauták 29%-ában volt látáscsökkenés (hypermetropiás shift) megfigyelhető, míg ezzel szemben a hosszú távú űrutazásoknál ez az arány már 60%-os volt, azaz kétszeresére emelkedett. A hypermetropiás shift hatását pluszos szemüveg rendelésével ki lehetett korrigálni, azonban a hatása hosszú távon, akár évekig is megmaradhat az űrutazást követően. Fontos, hogy az űrhajó irányítópultjának világító műszerei adatainak megítéléshez jó közeli látóélességre van szükség, tehát az asztronauták közeli látása a biztonság szempontjából elsődleges jelentőségű.

A repülés elején a szemnyomás 20-25%-os megemelkedését észlelték a kutatók, az űrhajósok körében az első 44 percben, majd a szemnyomás normalizálódik és tartós marad a repülés hátralévő idejére. A képalkotó eszközökkel a látóideg hüvelyének megvastagodását lehetett igazolni. A repülés után vett lumbálpunkció során a cerebrospinalis folyadék magasabb nyomással ürült, mint ahogyan azt tapasztalták a kontrollcsoport betegei körében.
A patofiziológiai eltérések megértésénél fontos annak ismerete, hogy a Földön vertikális irányú hidrosztatikus nyomás éri a szervezetet, azaz a nyomás az alsó végtagokban lesz a legmagasabb. A gravitáció csökkenésével a hidrosztatikus nyomás csökken, felfelé irányuló folyadék redisztribúció indul, azaz a folyadék­áramlás a fej felé irányul (cephalad irány). A lehetséges patofizilológia hátterében több elmélet/hipotézis született.

Az első szerint a magas intracranialis nyomás a vénás ágon hipertóniát okoz. A fej felé (cephalad) irányul a nyomásfokozódás az intravaszkuláris gravitáció hiányában. Idiopá­tiás intracranialis hipertenzió (IIH) alakul ki, következményes papillaödémával. A szemgolyó hátsó része benyomódik, a hypophysis konkáv alakban átformálódik, a nyele deformálódik. A v. jugularis tágul, vénás pangás alakul ki a mikrogravitációs környezetben, cerebrospinalis folyadék abszorpcióval. Általában az IIH esetén, amennyiben nincs papillaödéma fejfájás és pulzáló tinnitus alakul ki, ha van papillaödéma, akkor általában nincs kísérő fejfájás és fülzúgás. A papillaödéma akár 6 hónapig is fennállhat az űrhajósokban a legjobb korrigált visus lényeges csökkenése nélkül. Tehát ez egy morfológiai eltérés önmagában.
A második hipotézis szerint a mikrogavitáció miatt a n. opticus hüvelyébe folyadék kerül a subarachnoidealis térből, amely egy egyirányú billentyűszerű mechanizmus révén alakul ki. Visszafelé történő áramlás nincsen. A subarachnoidealis folyadék összetétele különbözik a látóidegben, illetve az agy körül található CSF-folyadék összetételétől. Ezt úgy hívjuk, hogy kompartmentalizáció, vagyis a kiegyenlítődés nem teljes mértékű a különböző agyi terekben.
A harmadik elmélet szerint nem az intracranialis nyomásfokozódás az ok a SANS hátterében, hanem az, hogy a folyadékáramlás a fej felé helyeződik át és ez áttevődik a chiasmára, azaz a látóideg-kereszteződésre is. A mikrogravitáció miatt a fej is enyhén rotálódik, a chiasma felfelé húzódik, a látóideg megfeszül. A látóideg hüvelye összeköttetésben áll a csontos szemüreg periosteumával, amely komprimáló erővel hat a látóidegre, továbbá a bulbus hátsó falát előrébb nyomja. A látóideg 0,80 ± 0,74-mm-re lett rövidebb a vizsgálat alapján, a refrakció +0,75 D-tól +1,5 D-ig növekedett (egyénenként különböző módon).

A LDSF modellezésére földi körülmények között a Head-down tilt bed teszt (6 fokos fejsüllyesztés tartósan), a supine (hanyattfekvés) bed rest, a wet immersion (fej lefelé vízbe merítve) és a Lower extremity limb suspension (alsó végtag felfelé rögzítése) állnak rendelkezésre. Ezek közül a Head-down tilt bed teszt a legelfogadottabb és legmegbízhatóbb vizsgálati módszer (11).

Mader és munkatársai 2011-ben 7 űrhajóst követtek a felszállás előtt és azt követően hosszabb ideig (9). A vizsgálatok során manifeszt és cycloplégiás refrakció mérést végeztek a távoli és közeli visus/legjobb korrigált látóélesség meghatározása céljából, a szemfenékről fotót készítettek, a szemfeneket ezenkívül OCT- és OCTA- (angiográfiás OCT) vizsgálattal is megvizsgálták, továbbá orbita ultrahangvizsgálatot és orbita és koponya MRI-t végeztek, az esetek döntő többségében űrutazást követően lumbálpunkció történt. Eredményeik szerint a vizsgált alanyok 71%-ában (5/7 fő) észleltek papillaödémát, a hátsó pólus előre helyeződését is 71%-ban, hypermetropiás shiftet 85%-ban (6/7 fő), chorioidea-redőket 71%-ban, az idegrostréteg megvastagodását 71%-ban, az idegrostréteg infark­tusát (gyapottépésszerű gócok) 42%-ban (3/7 fő) tapasztaltak. Az űrhajósok körében végzett lumbálpunkció során 66 nappal a földet érés után is még 22 vízcm volt a kiáramló nyomás. A legjobb korrigált visus minden esetben 20/20, azaz teljes volt. Fontos adat, hogy leszálláskor a súlytalanság helyett a legtöbb esetben +4 G decelerációs erő nehezedik az űrhajósok szervezetére. Megállapították, hogy a cerebrális artériaátmérők és a véráramlási sebességek az autoreguláció révén nem mutatnak eltérést a földi adatokhoz képest. Fontos lenne az angiográfiás eltérések jellemzése is OCTA-vizsgálat révén, amelyek a későbbiekben lehetségesek. Az űrbe MRI-készülék telepítése a súly- és helyigény miatt valószínűleg még sokáig nem lesz lehetséges.

A későbbiekben a Head-down tilt bed rest vizsgálatot alkalmazták a hátsó pólus előrébb helyezésének modellezésében, illetve annak megállapítására, hogy a naponként végzett centrifugális erő meg tudja-e akadályozni a szemgolyó hátsó részének előrébb helyeződését, azaz a hypermetropiás shiftet képes-e kivédeni (11). A HDBRT-vizsgálat során sikerült előidézni a hátsó fal deformálódását, azonban a napi 30 perces antigravitációs centrifugakezelés sem tudta megakadályozni azt.
Egy másik vizsgálatban a magasabb CO2-szint hatását vizsgálták a szemészeti eltérések vonatkozásában. Az űrhajókban általában mesterségesen magasabb szén-dioxid szintje, általában 4 Hgmm CO2-szintemelkedés az űrhajósok 50%-ában papillaödémát vált ki (11). Azonban a hypercapniás ventilációs válasz során az artériás pCO2-ben és a cerebrális válaszban nem volt különbség a kontrollcsoporthoz képest. Vagyis megállapításaik szerint az enyhén hypercapniás környezet nem oki tényezője a SANS-szindrómának.

Megbeszélés

Összefoglalva a rövid-és hosszú távú űrutazások során számos szemészeti szövődmény lehetőség alakulhat ki, amelyek a legjobb korrigált látóélességet az esetek döntő többségében nem rontják, a fénytörést azonban a hypermetropia irányába tolják el, azaz a közeli látáshoz korrekció viselése szükséges. Ez a korrekciós igény, függetlenül attól, hogy az űrhajós presbyop életkorban van, vagy sem, hosszútávon is fennmaradhat. A papillaödéma kialakulásának patomechanizmusa különbözik az agynyomás-fokozódás során fellépő papillaödéma mechanizmusától. Az idegrostréteg megvastagodása általában a papilla közelében történik és a legjobb korrigált visust nem zavarja. Ugyan a direkt extrapolálás kérdéses, azonban mégis fontos a LDSF szemészeti és szervezeti hatásainak földi tanulmányozása a hosszú távú űrrepülések hatásainak modellezése céljából. Nem lehet kizárni a kozmikus sugárzás kataraktogén hatását sem, bár erre vonatkozóan kevés adat áll rendelkezésre. A SANS pontos patomechanizmusának megértéséhez további kutatásra és szemészeti vizsgálatokra van még szükség.
Patofiziológiai szempontból az űrutazások során tehát számunkra szokatlan súlytalanság és a káros kozmikus sugárzások hathatnak az emberi szervezetre. Ezen hatások következményeként a látással, az idegrendszerrel, az immunrendszerrel, a vázizomrendszerrel kapcsolatos problémák léphetnek fel, a hosszú távú űrutazásoknál (pl. Mars-expedíció) kardiovaszkuláris, limfatikus és vizuális károsodással kell számolnunk. Elváltozások léphetnek fel a citoszkeletális filamentumok rendezettségében, endothel-elégtelenség és izomatrófia alakulhat ki. Ezen tényezők együttesen hemodinamikai, kardiovaszkuláris és limfatikus rendszerben okoznak eltéréseket. A súlytalanság miatt folyadékátrendeződés alakulhat ki, az alsó végtagokban kevesebb véráramlás alakul ki, míg a felső végtagokban, az arcon és az agyban többlet véráramlás, intracraniális ödéma léphet fel, amely tünetegyüttest űrutazással kapcsolatos neuro-ocularis szindrómának (SANS = Space Associated Neuro-ocular Syndroma) nevezünk.

Mint ismeretes az emberi szervezet a földi 1G gravitációs erőhöz és a minket körülvevő védőréteget képező mágneses térhez (magnetoszféra) alkalmazkodott. A földi körülmények között a gravitációfüggő hidrosztatikus erők tartják fenn a szervezet folyadékegyensúlyát (felső és alsó végtagok között), a magnetoszféra véd bennünket a káros kozmikus sugárzásoktól. A súlytalanság állapotában megszűnik ez a jellegzetes hidrosztatikus nyomásgrádiens és a folyadékáramlás a fej felé irányul, arc és agy ödémát létrehozva. A mikrogravitációs környezetben csökken a vénás nyomás, a plazmavolumen és ortosztatikus intolerancia alakulhat ki. A földi viszonyok között a vérnyomás-grádiens kiegyenlíti a fej és lábak közötti keringési különbséget. A szédülés, ortosztatikus kollapszushajlam mind a volumen-redisztribúció kóros következményei lehetnek. Megváltozhat az űrhajósok ízérzékelése, szaglása a paranazális sinusok duzzanata következtében, az ételek íztelenné válhatnak, csökken az étvágy, következményesen csökken a testtömeg, kardiovaszkularis problémák, izom- és csontveszteség léphetnek fel. A citoszkeletális izom­aktivitás is gravitációfüggő a földi körülmények között, károsodhat a fehérjeállomány és a vázizom-rendszer izomrostjai, ezen belül a miozin nehéz lánca és a szarkoplazmás retikulum protein izoformái. Másik probléma lehet patofiziológiai szempontból a megnövekedett véralvadás a cephalad (fej irányába történő áramlás) vénás rendszerben. A v. jugularis interna átmérője növekedhet, nő a vénás nyomás és csökken a vénás drenázs. Következményként vénás tágulat, endothelsérülés és potenciális hiperkoaguabilitás léphetnek fel. Az endothel-diszfunkció károsíthatja az erekben az endothel remodellizálódását, amely elengedhetetlen az érfalstabilitáshoz. Következményesen növekedhet a szervezetben a nitrit-oxid (NO) termelés az űri körülmények között, amely aktin átrendeződéshez vezethet, továbbá szabálytalan endothelsejt-migrációhoz. Védekezéshez az alsó végtagon mesterségesen létrehozott negatív nyomást hoznak létre eszközösen (LBNP = Lower Body Negative Pressure), ez már a Nemzetközi Űrállomáson elérhető. Az eszközzel sikeresen lehet létrehozni a földi körülményekhez hasonló gravitációs stresszt az alsó végtagokban, azaz a folyadékáramlás ismét az alsó végtag felé rendeződik át. A kozmikus sugárzás és a súlytalanság károsíthatja az endothelium-dependens vazodilatációt, amely cAMP-n keresztül a vaszkuláris simaizmokban hiperpolarizációt eredményez. A nem kívánt hatás ellen lehet gyógyszeresen védekezni, de talán hatékonyabb a protektív vízréteggel körül venni az űrhajót, amely elnyeli a kozmikus sugárzást és víztartalékot is képezhet az űrhajósok számára.

A nyirokrendszer eltérései is számos szövődményt okozhatnak az űrhajósok számára. A nyirokáramláshoz szintén szükséges a földi körülmények között kialakult gravitációfüggő hidrosztatikus grádiens és a mozgás következtében kialakuló szöveti deformáció. Intrinsic és extrinsic mechanizmusok révén alakul ki a folyadékáramlás és billentyűk akadályozzák meg a retrográd visszaáramlást. Űrutazás során a nyirokáramlás is károsodik, amely hátterében a csökkent hidrosztatikus nyomás, a csökkent szenzoros érzékelés, az alacsonyabb mértékű mechanikus stimuláció, a mozgáshiány állnak. Az interstitiális folyadéknyomás csökken, ezzel szemben az intramurális nyomás növekszik. Ezért a szövetekbe irányuló nettó folyadékáramlás nagyobb mértékű lesz, mint a szövetekből kifelé áramló folyadék mennyisége, tehát ödéma alakulhat ki, vagyis a transzkapilláris folyadék kifelé történő áramlása növekszik. Az arcödéma patomechanizmusában tehát a nyirokáramlásban bekövetkező változások is jelentős szerepet játszhatnak.

Következtetések

A hosszú távú űrutazások számos egészséggel kapcsolatos problémát okozhatnak, amelyek az idegrendszer működésével és a vázizmok működésével kapcsolatosak. Ezek megfelelő tanulmányozása és a negatív hatások kivédése megelőzheti a káros következmények kialakulását és felkészíthetik az űrhajósokat és az emberiséget a hosszú távú űrutazásokra. Jelen közleményben elsősorban a SANS tüneteivel foglalkoztunk, amelyek az űrhajók irányításában, a számítógépes kommunikációban döntő jelentőséggel bírnak. Az ismertetett patofiziológiai elváltozások megelőzése miatt kiemelt fontosságú a fizikai aktivitás megőrzése a mikrogravitációs környezetben, amely mind a vaszkuláris, a kardiovaszkuláris és az idegrendszeri szövődmények kivédésében is elsőrendű fontosságú.

Nyilatkozat

A szerzők kijelentik, hogy speciális összefoglaló közleményük megírásával kapcsolatban nem áll fenn velük szemben pénzügyi vagy egyéb lényeges összeütközés, összeférhetetlenségi ok, amely befolyásolhatja a közleményben bemutatott eredményeket, az abból levont következtetéseket vagy azok értelmezését.