home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / anarchy / essays / schoolsucks / osteo.txt < prev    next >
Text File  |  1996-04-27  |  9KB  |  141 lines

  1. ==============================================================================
  2. Your Bones in Space                            ASTRONOMY AND SPACE SCIENCE
  3. ------------------------------------------------------------------------------
  4. Hypogravitational Osteoporosis: A review of literature. 
  5. By Lambert Titus Parker. May 19 1987.
  6.  
  7. Osteoporosis: a condition characterized by an absolute decrease in the
  8. amount of bone present to a level below which it is capable of maintaining
  9. the structural integrity of the skeleton.
  10.  
  11. To state the obvious, Human beings have evolved under Earth's gravity
  12. "1G". Our musculoskeleton system have developed to help us navigate in
  13. this gravitational field, endowed with ability to adapt as needed under
  14. various stress, strains and available energy requirement. The system
  15. consists of Bone a highly specialized and dynamic supporting tissue which
  16. provides the vertebrates its rigid infrastructure. It consists of specialized
  17. connective tissue cells called osteocytes and a matrix consisting of
  18. organic fibers held together by an organic cement which gives bone its
  19. tenacity, elasticity and its resilience.  It also has an inorganic component
  20. located in the cement between the fibers consisting of calcium phosphate
  21. [85%]; Calcium carbonate [10%] ; others [5%] which give it the hardness
  22. and rigidity.  Other than providing the rigid infrastructure, it protects
  23. vital organs like the brain], serves as a complex lever system, acts as a
  24. storage area for calcium which is vital for human metabolism, houses the
  25. bone marrow within its mid cavity and to top it all it is capable of changing
  26. its architecture and mass in response to outside and inner stress.  It
  27. is this dynamic remodeling of bone which is of primary interest in microgravity.
  28. To feel the impact of this dynamicity it should be noted that a bone
  29. remodeling unit [a coupled phenomena of bone reabsorption and bone formation]
  30. is initiated and another finished about every ten seconds in a healthy
  31. adult. This dynamic system responds to mechanical stress or lack of it
  32. by increasing the bone mass/density or decreasing it as per the demand
  33. on the system. -eg; a person dealing with increased mechanical stress
  34. will respond with increased mass / density of the bone and a person who
  35. leads a sedentary life will have decreased mass/density of bone but the right
  36. amount to support his structure against the mechanical stresses she/she
  37. exists in. Hormones also play a major role as seen in postmenopausal
  38. females osteoporosis (lack of estrogens) in which the rate of bone reformation
  39. is usually normal with the rate of bone re-absorption increased.
  40.  
  41. In Skeletal system whose mass represent a dynamic homeostasis in 1g weight-
  42. bearing,when placed in microgravity for any extended period of time requiring
  43. practically no weight bearing, the regulatory system of bone/calcium
  44. reacts by decreasing its mass.  After all, why carry all that extra mass
  45. and use all that energy to maintain what is not needed?  Logically the
  46. greatest loss -demineralization- occurs in the weight bearing bones of
  47. the leg [Os Calcis] and spine. Bone loss has been estimated by calcium-balance
  48. studies and excretion studies.  An increased urinary excretion of calcium
  49. , hydroxyproline & phosphorus has been noted in the first 8 to 10 days
  50. of microgravity suggestive of increased bone re-absorption.  Rapid increase
  51. of urinary calcium has been noted after takeoff with a plateau reached
  52. by day 30. In contrast, there was a steady increase off mean fecal calcium
  53. throughout the stay in microgravity and was not reduced until day 20 of
  54. return to 1 G while urinary calcium content usually returned to preflight
  55. level by day 10 of return to 1G. 
  56.  
  57. There is also significant evidence derived primarily from rodent studies that
  58. seem to suggest decreased bone formation as a factor in hypogravitational
  59. osteoporosis. Boy Frame,M.D a member of NASA's LifeScience Advisory Committee
  60. [LSAC] postulated that "the initial pathologic event after the astronauts
  61. enter zero gravity occurs in the bone itself, and that changes in mineral
  62. homeostasis and the calcitropic hormones are secondary to this.  It appears
  63. that zero gravity in some ways stimulate bone re-absorption, possibly through
  64. altered bioelectrical fields or altered distribution of tension and pressure
  65. on bone cells themselves.  It is possible that gravitational and muscular
  66. strains on the skeletal system  cause friction between bone crystals
  67. which creates bioelectrical fields.  This bioelectrical effect in some
  68. way may stimulate bone cells and affect bone remodeling."  In the early
  69. missions, X-ray densitometry was used to measure the weight-bearing bones
  70. pre & post flight.  In the later Apollo, Skylab and Spacelab missions Photon
  71. absorptiometry (a more sensitive indicator of bone mineral content) was
  72. utilized.  The results of these studies indicated that bone mass [mineral
  73. content] was in the range of 3.2% to 8% on flight longer than two weeks
  74. and varying directly with the length of the stay in microgravity.  The
  75. accuracy of these measurements have been questioned since the margin
  76. of error for these measurements is 3 to 7% a range being close to the
  77. estimated bone loss. 
  78.  
  79. Whatever the mechanism of Hypogravitational Osteoporosis, it is one of
  80. the more serious biomedical hazard of prolonged stay in microgravity.
  81. Many forms of weight loading exercises have been tried by the astronauts
  82. & cosmonauts to reduce the space related osteoporosis.  Although isometric
  83. exercises have not been effective, use of Bungee space suit have shown
  84. some results.  However use of Bungee space suit [made in such a way that
  85. everybody motion is resisted by springs and elastic bands inducing stress
  86. and strain on muscles and skeletal system] for 6 to 8 hrs a day necessary
  87. to achieve the desired effect are cumbersome and require significant workload and
  88. reduces efficiency thereby impractical for long term use other than proving
  89. a theoretical principle in preventing hypogravitational osteoporosis.
  90.  
  91. Skylab experience has shown us that in spite of space related osteoporosis
  92. humans can function in microgravity for six to nine months and return
  93. to earth's gravity.  However since adults may rebuild only two-third of
  94. the skeletal mass lost, even 0.3 % of calcium loss per month though small
  95. in relation to the total skeletal mass becomes significant when Mars mission
  96. of 18 months is contemplated.  Since adults may rebuild only two-thirds
  97. of the skeletal mass lost in microgravity, even short durations can cause
  98. additive effects.  This problem becomes even greater in females who are
  99. already prone to hormonal osteoporosis on Earth. 
  100.  
  101. So far several studies are under way with no significant results.  Much
  102. study has yet to be done and multiple experiments were scheduled on the
  103. Spacelab Life Science [SLS] shuttle missions prior to the Challenger
  104. tragedy.  Members of LSAC had recommended that bone biopsies need to be
  105. performed for essential studies of bone histomorphometric changes to
  106. understand hypogravitational osteoporosis.  In the past, astronauts with
  107. the Right Stuff had been resistant and distrustful of medical experiments
  108. but with scientific personnel with life science training we should be
  109. able to obtain valid hard data. [It is of interest that in the SLS mission,
  110. two of the mission specialists were to have been physicians, one physiologist
  111. and one veterinarian.] 
  112.  
  113. After all is said, the problem is easily resolved by creation of artificial
  114. gravity in rotating structures.  However if the structure is not large
  115. enough the problem of Coriolis effect must be faced.  To put the problem
  116. of space related osteoporosis in perspective we should review our definition
  117. of Osteoporosis: a condition characterized by an absolute decrease in the
  118. amount of bone present to a level below which it is capable of maintaining the
  119. structural integrity of the skeleton.  In microgravity where locomotion
  120. consists mostly of swimming actions with stress being exerted on upper
  121. extremities than lower limbs resulting in reduction of weight bearing
  122. bones of lower extremities and spine which are NOT needed for maintaining
  123. the structural integrity of the skeleton.  So in microgravity the skeletal
  124. system adapts in a marvelous manner and problem arises only when this
  125. microgravity adapted person need to return to higher gravitational field.
  126. So the problem is really a problem of re-adaptation to Earth's gravity.
  127.  
  128. To the groups wanting to justify space related research:  Medical expense
  129. due to osteoporosis in elderly women is close to 4 billion dollars a
  130. year and significant work in this field alone could justify all space life
  131. science work.  It is the opinion of many the problem of osteoporosis on earth
  132. and hypogravity will be solved or contained, and once large rotating
  133. structures are built the problem will become academic.  For completeness
  134. sake: Dr. Graveline, at the School of Aerospace Medicine, raised a litter
  135. of mice on a animal centrifuge simulating 2G and compared them with a
  136. litter mates raised in 1G. "They were Herculean in their build, and unusually
  137. strong...." reported Dr.Graveline.  Also X-ray studies showed the 2G mice
  138. to have a skeletal density to be far greater than their 1G litter mates.
  139.  
  140.  
  141.