Cosa succede al corpo umano nello spazio? Rischi, effetti e sfide della medicina spaziale

Michael E. Fincke, un veterano delle missioni spaziali, lo scorso gennaio è stato colpito da un improvviso malore mentre stava ricoprendo il ruolo di pilota a bordo della Stazione spaziale internazionale (Iss). La Nasa lo ha riportato velocemente sulla Terra con la prima evacuazione di emergenza nella storia delle spedizioni cosmiche.

Alcuni mesi più tardi, gli astronauti della missione Artemis II – che ha riportato un equipaggio umano in orbita intorno alla Luna a 54 anni di distanza dall’Apollo 17 – sono rientrati dopo una missione di dieci giorni che ha stabilito il nuovo record di distanza dalla Terra per un equipaggio umano. Il futuro ritorno dell’uomo sulla Luna ha riacceso le fantasie, ma ha anche indotto molti a chiedersi quali siano gli effetti sull’organismo umano della persistenza prolungata in un ambiente a microgravità.

Cosa succede al corpo umano nello spazio: i fattori di rischio in orbita

«Tra i principali fattori di rischio associati al volo spaziale di lunga durata vi sono la gravità alterata, le radiazioni cosmiche, la distanza dalla Terra e la condizione di isolamento», spiega Serena Perilli, responsabile del Settore Volo Umano Orbitale e Suborbitale e Sperimentazione dell’Agenzia spaziale italiana. «Questi fattori possono alimentarsi a vicenda e aggravare gli effetti sul corpo umano. È quindi fondamentale studiarne gli effetti, sia con analoghi terrestri che all’interno dell’Iss, un vero e proprio laboratorio di ricerca in orbita intorno alla Terra, a una distanza di circa 400 chilometri».

La letteratura scientifica sui cambiamenti subiti dal corpo umano nello spazio è limitata dal fatto che, dagli anni Sessanta a oggi, sono andate in orbita meno di mille persone. «La maggioranza ha raggiunto lo spazio in un’epoca in cui la qualità degli esperimenti era più bassa rispetto ad oggi», afferma Adrian Fartade, divulgatore scientifico ed esperto di astronomia. «Se il campione sperimentale è ristretto, è difficile standardizzare i risultati e giungere a conclusioni confrontabili. Inoltre, ogni equipaggio in partenza per una missione svolge incarichi differenti e, di conseguenza, è esposto a stimoli di volta in volta nuovi, limitando la possibilità di identificare i fattori comuni».

L’esperimento sui gemelli Kelly: cosa succede al DNA e al cervello nello spazio

Nel 2019 la Nasa ha realizzato uno studio che ha fatto la storia, il Twins Study, pubblicato su Science e considerato la più completa analisi degli effetti del volo spaziale di lunga durata sull’essere umano. Lo studio ha coinvolto due astronauti gemelli monozigoti (quindi con Dna identico), Scott e Mark Kelly. Il primo ha trascorso 340 giorni consecutivi sulla Iss, il secondo è rimasto sulla Terra in qualità di controllo biologico. Grazie a questo disegno sperimentale, è stato possibile distinguere con precisione gli effetti dell’ambiente spaziale rispetto alla normale variabilità genetica e ambientale, aprendo le porta alla comprensione di come e in quale misura i fattori tipici del volo spaziale influenzino l’organismo. Soprattutto in previsione di future missioni che richiederanno lunghe permanenze nello spazio.

«Il Twins Study ha messo in evidenza sia le risposte reversibili, sia quelle persistenti», commenta Perilli. «Oltre alle variazioni nella lunghezza dei telomeri, nella regolazione e nella composizione del microbioma intestinale, sono stati osservati cambiamenti reversibili nel peso corporeo, nelle dimensioni dell’arteria carotide, nello spessore retinico peripapillare e in certi metaboliti sierici. Altri fattori – tra cui l’aumento delle citochine infiammatorie, l’attivazione di reti geniche immunitarie e un peggioramento delle prestazioni cognitive – sono stati significativamente influenzati dall’ambiente spaziale e per alcune prestazioni cognitive sono state osservate alterazioni persistenti anche oltre sei mesi dal rientro sulla Terra».

Effetti fisici della microgravità e delle radiazioni sul corpo umano

Nel libro Orbital la scrittrice Samantha Harvey ha ben riassunto gli effetti della microgravità sul corpo umano: dopo alcuni mesi di permanenza in orbita i muscoli si atrofizzano, con una perdita di massa e di tono muscolare di circa il 20%; il rischio di osteoporosi aumenta dell’1-2% ogni mese; e la colonna vertebrale si distende, incrementando l’altezza di circa il 3%. Si assiste anche a una ridistribuzione dei fluidi verso la parte superiore del corpo. Spesso gli astronauti sperimentano nausea e vomito (sintomi che si superano dopo pochi giorni di adattamento del corpo alla condizione di microgravità). Un altro fattore critico è rappresentato dalle radiazioni. «L’esposizione ai raggi cosmici galattici può determinare effetti a lungo termine, tra cui l’insorgenza di cataratta,
tumori e malattie degenerative del sistema nervoso centrale e di altri organi», riprende Perilli.

«Sulla Terra, il campo magnetico e l’atmosfera forniscono una efficace protezione contro il continuo bombardamento dei raggi cosmici galattici ma, al di fuori dell’orbita terrestre, tale schermatura viene meno. Un’altra fonte di esposizione è rappresentata dalle particelle solari, imprevedibili e in grado di generare elevate dosi di radiazione in tempi brevi, con possibile insorgenza di sindromi acute da radiazione in assenza di adeguate contromisure protettive». Infine, anche le condizioni di isolamento influenzano profondamente il benessere fisiologico e psicologico degli astronauti, con affaticamento, alterazioni del ritmo circadiano, disturbi del sonno, cambiamenti neurocognitivi, alterazioni ormonali legate allo stress e disfunzioni immunitarie.

Come proteggere il corpo umano nello spazio: l’allenamento degli astronauti

Tutto ciò può compromettere la coesione e le prestazioni dell’equipaggio che deve perciò far ricorso a contromisure nutrizionali e farmacologiche, oltre che all’implementazione di rigorosi programmi di attività fisica. «L’esercizio fisico è una delle strategie più efficaci e consolidate», continua l’esperta. «Per tutta la durata della missione gli astronauti seguono protocolli di allenamento altamente strutturati, della durata di circa due ore al giorno».

I macchinari per l’allenamento nello spazio includono:

• un dispositivo per l’allenamento contro resistenza che consente il sollevamento di pesi mentre l’astronauta è stabilizzato da cavi elastici;
• un tapis roulant che consente di simulare la camminata e la corsa in condizioni di gravità normale;
• una speciale cyclette per l’allenamento degli arti superiori e inferiori.

«Durante l’esercizio», fa sapere Perilli, «un computer monitora la frequenza cardiaca e altri parametri fisiologici tramite cui il personale medico a terra supervisiona costantemente le condizioni fisiche dell’equipaggio».

Lo studio sulle radiazioni

Medici e ricercatori continuano a studiare la relazione tra corpo umano e ambiente spaziale: tra le opzioni tecnologiche più promettenti ci sono i cosiddetti organ-on-chip, modelli cellulari 3D grazie a cui raccogliere informazioni sullo sviluppo degli organi e sulle interazioni tra i tessuti che li formano.

Il progetto Avatar – svolto durante la missione Artemis II – prevedeva l’invio in orbita di alcuni chip caricati con cellule ottenute dal sangue degli astronauti, così da studiare l’effetto delle radiazioni cosmiche: al rientro, le cellule sono state confrontate con quelle su analoghi chip rimasti sulla Terra. Grazie alle attuali tecniche di sequenziamento del genoma, nei prossimi anni la mole e la qualità dei dati crescerà espandendo le conoscenze, tuttavia, il caso di Fincke mostra quanto ci sia ancora da imparare e apre un secondo interrogativo: che cosa è possibile fare a bordo di una navicella spaziale nel caso in cui uno degli astronauti sia colpito da un malore grave e imprevedibile?

Malori e telemedicina: come gestire un’emergenza sanitaria tra le stelle

La telemedicina, essenziale durante la pandemia da Covid-19 e imprescindibile per molti malati, ha avuto un enorme sviluppo nel contesto dei voli spaziali, durante i quali i medici devono fare anamnesi da remoto senza poter intervenire. Gli astronauti sono addestrati a rispondere all’emergenza medica attivando le procedure di contatto con i medici a Terra, che li guidano passo passo nelle manovre da eseguire.

«Sulla Iss il ritardo di comunicazione è di circa un secondo, quindi la telemedicina è molto efficace», conclude l’esperta. «Nelle missioni lunari o marziane, invece, il ritardo può estendersi fino a 40 minuti, rendendo necessaria una maggiore autonomia dell’equipaggio che ha a disposizione un kit medico avanzato, composto da un defibrillatore semiautomatico, farmaci di emergenza, maschere per le vie aeree, strumenti per il monitoraggio dei sintomi, materiale per medicazioni e un kit per la diagnosi rapida di infezioni e il controllo di parametri vitali, come la glicemia».

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