Waarom onze spieren liever niet naar de Maan gaan

1961. Het jaar waarin Joeri Gagarin geschiedenis schrijft door als eerste mens de ruimte te bezoeken. En 565 mensen zouden zijn voorbeeld volgen. Wat men toen nog niet wist, is dat de ruimte geen optimale omgeving is voor de spier. Enkele jaren later volgden de eerste rapporten over het ‘deconditioneren van de spier’ bij astronauten.¹.

Ondanks intensieve trainingssessies in de ruimte, verliezen astronauten na enkele dagen gewichtloosheid 6% van hun spiermassa. Dit kan zelfs oplopen tot een verlies van 20% na 100 dagen in de ruimte.² In 1999 werd er inderdaad een relatief onevenwicht tussen de spieropbouw (↓) en –afbraak (↑) vastgesteld.³

Dé million dollar question is de oorzaak van dit spierverlies. Op het eerste zicht lijkt dit niet zo belangrijk. Hoe velen (of beter, weinigen) onder ons zijn uitverkoren om mee te mogen op NASA’s of Elon Musks avonturen?

Maar als de mens ooit van plan is om onze geplaagde aardbol te verlaten voor hogere sferen, blijft het een enorme uitdaging om spierverlies tegen te gaan. (En bij uitbreiding alle andere negatieve gevolgen van langdurige gewichtloosheid, zoals botontkalking, afname in bloedvolume, vermoeidheid, verminderde immuniteit, slaaptekort etc.⁴).

Een beter begrip van wat er met de spier gebeurt tijdens gewichtloosheid kan op termijn bijdragen aan strategieën om dit verlies tegen te gaan. Dus wetenschappers gingen aan de slag.

Een eerste ‘probleem’ is dat astronauten tijdens een ruimtereis ook minder bewegen. Dit draagt ook bij aan het spierverlies. Mensen bewegen nu eenmaal minder indien ze opgesloten worden op een kleiner oppervlakte (of dit nu op Mars of Aarde is maakt geen verschil). Het blijft dus de vraag of gewichtloosheid ook rechtstreeks effect heeft op spierverlies (dus niet via ↓ bewegen).

Wetenschappers zijn soms vernuftig. Ze hebben de factor ‘inactiviteit in de ruimte’ kunnen uitschakelen door muizen en ratten met de staart omhoog te hangen zodat de spieren in de achterpoten niet actief zijn. Vanaf hier verwijs ik naar deze door-staart-omhoog-gehangen-inactieve-spieren als ‘staart’-spieren.

Door de expressie van genen te vergelijken tussen ‘ruimte’-spieren (van muizen in de ruimte) en ‘staart’-spieren,⁵ ,⁶kan men dus het geïsoleerde effect van de zwaartekracht bekijken. De eerste conclusie was dat er veel genen meer of minder geactiveerd werden in de ruimte. Maar veel van deze genen waren op een gelijkaardige manier meer of minder geactiveerd in de ‘staart’-spieren.

Met andere woorden, veel effecten van ruimtereizen op de spier zijn te verklaren door inactiviteit. Maar, er zijn ook interessante verschillen tussen de genexpressie van ‘ruimte’- en ‘staart’-spieren.

Verlies aan zwaartekracht zorgt voornamelijk voor veranderingen in 2 ‘systemen’:

1. ↓ expressie van genen die instaan voor de structuur van de spiervezels

2. ↑ expressie van genen die zorgen voor de afbraak van de spier

Deze twee mechanismen dragen onafhankelijk bij aan spierverlies tijdens ruimtereizen. Zelfs wanneer astronauten in staat zouden zijn om normaal te bewegen in de ruimte.

Ook de spiersamenstelling verandert door een ruimteverblijf. De spier is opgebouwd uit rode vezels (uithouding) en witte vezels (snelheid en kracht). In de ruimte verandert een aandeel witte vezels in rode vezels. Deze shift naar sterkere vezels is waarschijnlijk een compensatiemechanisme zijn om een verlies in spierkracht (door weinig spieractiviteit) tegen te gaan.⁷

Spieren die voornamelijk bestaan uit rode vezels hebben ook een groter verlies aan spiermassa en spiervezelgrootte dan voornamelijk ‘witte’ spieren.⁸ Een beter begrip van hoe deze ‘witte’ spieren zich beschermen tegen gewichtloosheid kan bijdragen aan de ontwikkeling van moleculaire strategieën om spiermassaverlies (bv. bij langdurig ziekenhuisverblijf) tegen te gaan.

Rode spiervezels worden kleiner door ruimteverblijf terwijl witte vezels zich hier beter tegen kunnen beschermen.

We kunnen concluderen dat ruimtereizen drastische, negatieve effecten hebben op de spier. Fysieke training voor, tijdens en na het ruimteverblijf is noodzakelijk maar nog steeds onvoldoende om spierverlies tegen te gaan. Hopelijk begrijpen we snel hoe spieren zich kunnen beschermen tegen gewichtloosheid. Dan kunnen we Samson & Marie volgen naar de Maan of plannen maken om Mars te veroveren.

Noten

1. I. B. Kozlovskaya, Y. V. Kreidich, V. S. Oganov, and O. P. Koserenko, “Pathophysiology of motor functions in prolonged manned space flights,” Acta Astronaut., vol. 8, no. 9–10, pp. 1059–1072, 1981.

2. M. V. Narici and M. D. De Boer, “Disuse of the musculo-skeletal system in space and on earth,” Eur. J. Appl. Physiol., vol. 111, no. 3, pp. 403–420, 2011.

3. T. P. Stein, M. J. Leskiw, M. D. Schluter, M. R. Donaldson, and I. Larina, “Protein kinetics during and after long-duration spaceflight on MIR,” Am. J. Physiol. - Endocrinol. Metab., vol. 276, no. 6 39-6, pp. 1014–1021, 1999.

4. D. Williams, A. Kuipers, C. Mukai, and R. Thirsk, “Acclimation during space flight: Effects on human physiology,” Cmaj, vol. 180, no. 13, pp. 1317–1323, 2009.

5. T. Nikawa et al., “Skeletal muscle gene expression in space-flown rats.,” FASEB J., vol. 18, no. 3, pp. 522–524, 2004.

6. D. L. Allen et al., “Effects of spaceflight on murine skeletal muscle gene expression,” J. Appl. Physiol., vol. 106, no. 2, pp. 582–592, 2009.

7. Y. Wang and J. E. Pessin, “Mechanisms for fiber-type specificity of skeletal muscle atrophy,” Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care, vol. 16, no. 3, pp. 243–250, 2013.

8. D. Sandonà et al., “Adaptation of mouse skeletal muscle to long-term microgravity in the MDS mission,” PLoS One, vol. 7, no. 3, 2012.