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

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