سفر در فضا خطرات متعددی برای سلامت انسان دارد. این خطرات شامل قرار گرفتن در معرض تشعشعات کیهانی، اختلالات بینایی، بیماری‌های قلبی عروقی و آسیب سیستم عصبی مرکزی است [1]. برنامه پژوهش‌های انسانی در ناسا ‏(HRP)‏[1] این خطرات کوتاه مدت و بلندمدت مرتبط با مأموریت‌های فضایی را شناسایی کرده و برای مقابله با آنها در حال توسعه راه‌کارهایی برای کمّی‌سازی، نظارت و کاهش آنهاست [2]. مطالعات حیوانی، به ویژه استفاده از جوندگان، برای درک مکانیسم‌های بیولوژیکی و خطرات برای سلامت فضانوردان و همچنین برای آزمایش اقدامات متقابل انجام شده است [3]. تحقیقات نشان می‌دهد که شرایط بی‌وزنی در فضا می‌تواند منجر به آتروفی استخوان و عضله شود که منجر به شرایطی مانند پوکی استخوان و سایر اختلالات اسکلتی عضلانی شود [4]. کمردرد یک مسئله قابل توجه در میان فضانوردان و خلبانان نظامی است که اغلب با رویدادهای دژنراسیون دیسک بین مهره‌ای مرتبط است [5]. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض بی‌وزنی می‌تواند سیستم ایمنی بدن را تضعیف کند، بهبود زخم را به تأخیر بیندازد و باعث اختلالات اسکلتی عضلانی شود [6]. مطالعه‌ای بر روی چهار فضانوردی که تا 7 ماه را در ایستگاه فضایی روسیه گذراندند نشان داد که کاهش تراکم استخوان در پاها (سرشار از استخوان قشری) حدود ‏‏0.3‏‏ تا ‏‏0.4‏‏ درصد در ماه بود و این کاهش بیشتر در توده استخوانی ترابکولار (اسفنجی) رخ داده بود [7].
مطالعات روی مدل‌های حیوانی با مدت زمان‌های مختلف سفر فضایی، تغییراتی را در استخوان‌ها قشری و اسفنجی نشان داد؛ به طوری که افزایش موقتی در تحلیل استخوان‌ها و کاهش پایدار در تولید آن به وجود آمد. اطلاعات محدودی در مورد مداخلات برای حفظ متابولیسم استخوانی پایدار و جلوگیری از کاهش تراکم استخوان در طول سفر فضایی در دسترس است. مصرف زیاد مکمل‌های کلسیم و ویتامین دی در طول سفرهای فضایی از پوکی استخوان جلوگیری نکرد، زیرا نتوانستند افزایش تحلیل استخوان را مهار کنند، اگرچه از افزایش سطح کلسیم سرم جلوگیری کردند [8].
عنصر روی، نقش‌های فیزیولوژیکی مختلف در فرآیندهای بیوشیمیایی، به‌ویژه رشد و متابولیسم استخوان دارد. این عنصر تمایز سلولی، تکثیر و کانی شدن در استئوبلاست‌ها را تحریک می‌کند و باعث تولید استخوان می‌شود. افزودن روی به کشت باعث تحریک تولید فاکتورهای رشد استخوان و پروتئین‌های ماتریس استخوان می‌شود که در تقویت استخوان‌سازی نقش دارند. آنزیم ‏DNA‏ پلیمراز که در تولید ‏DNA‏ نقش دارد یک آنزیم وابسته به روی است. روی ممکن است با فعال کردن آنزیم ‏DNA‏ پلیمراز در استئوبلاست‌های بافت استخوانی باعث تولید ‏DNA‏ شود [9].
نشانگرهای زیستی استخوان نقش مهمی در تحقیقات و نظارت بر اثرات مداخلات درمانی بر استخوان دارند. این ‌نشانگرها محصولاتی را نشان می‌دهند که توسط استئوبلاست‌های فعال در مراحل مختلف بلوغ یا آنزیم‌های استخوانی بیان ‌می‌شوند. نشانگرهای زیستی معمولاً ارزیابی شده در سرم یا پلاسما شامل آلکالن فسفاتاز اختصاصی استخوان ‏(BAP)‏[2] و ‌استئوکلسین است. ‏BAP‏ به عنوان یک نشانگر کلیدی مرتبط با تشکیل استخوان عمل می‌کند. این یک آنزیم هیدرولاز (مرتبط با غشای سلولی) ‌است که مسئول حذف گروه‌های فسفات از مولکول‌های مختلف مانند نوکلئوتیدها، پروتئین‌ها و آلکالوئیدها است. استئوکلسین یک پروتئین غیرکلاژنی است که توسط استئوبلاست‌ها تولید می‌شود و در استخوان قرار دارد و نقش متابولیکی ایفا ‌می‌کند. برای کانی‌سازی استخوان و حفظ تعادل کلسیم ضروری است. سطوح سرمی استئوکلسین منعکس‌کننده تشکیل استخوان ‌و حضور استئوبلاست‌ها است. این سطوح از طریق هیستومورفومتری و تجزیه و تحلیل کلسیم تعیین می‌شوند، بنابراین به ‌عنوان یک نشانگر زیستی برای تشکیل استخوان عمل می‌کنند. قابل ذکر است که استئوکلسین یکی از معدود پروتئین‌های منحصر به سیستم اسکلتی است [10].
با توجه به هزینه‌های قابل توجه سفرهای فضایی، تلاش‌هایی برای القای مصنوعی بی‌وزنی بر روی زمین انجام شده است. در ‌میان این تکنیک‌ها، تعلیق موش از دم به طور گسترده به عنوان شبیه‌سازی آزمایشگاهی سفر فضایی مورد استفاده قرار ‌می‌گیرد. این روش تأثیر بی‌وزنی را بر استخوان‌ها و ماهیچه‌های پاهای عقبی حیوان تقلید می‌کند و امکان تکرار الگوهای ‌جریان خون مشابه با الگوهای تجربه شده توسط انسان در حالت بی‌وزنی را فراهم می‌کند [11]. با توجه به اینکه تغییرات در استخوان یک نگرانی مهم در طول سفر فضایی برای ‌فضانوردان است، این مطالعه با هدف بررسی تغییرات در نشانگرهای زیستی استخوان با و بدون مکمل سولفات روی در یک مدل ‌تجربی شبیه‌سازی سفر فضایی انجام شد.

در این مطالعه تجربی 14 موش نر با میانگین وزن 250 گرم به طور تصادفی به دو گروه مداخله و کنترل تقسیم شدند. در ابتدا، همه موش‌ها به مدت یک هفته در شرایط کنترل شده دما ‏(2‏±23 درجه سانتی‌گراد)، رطوبت ‏(10‏±60%) و چرخه نور‏/‏تاریکی ‏‏12.12‏‏ ساعته در کنار هم قرار گرفتند. آنها همچنین در این دوره با رژیم غذایی یکسان تغذیه ‌می‌شدند. سپس موش‌های هر گروه به‌طور جداگانه در قفس‌هایی قرار گرفتند که اختصاصاً برای تجربه بی‌وزنی در فضا ‌طراحی شده بودند [11]. در طول مدت 30 روز، هر دو ‌گروه رژیم غذایی معمول خود را دریافت کردند و برای گروه مداخله 227 میلی‌گرم در لیتر سولفات روی (از ‌شرکت داروسازی بهانسر، تهران)، بر اساس دوز مصرفی مطالعات قبلی، به صورت خوراکی تجویز شد [12]. نمونه خون در ابتدا و انتهای مطالعه برای تجزیه و ‌تحلیل تغییرات در بیومارکرهای استخوان ‏(BAP‏ و استئوکلسین) و سطح روی جمع‌آوری شد.
تعلیق اندام عقبی تکنیکی است که توسط ناسا برای شبیه‌سازی اثرات شرایط فضایی بی‌وزنی بر روی بدن تأیید کرده است. در اکتشافات فضایی، ‌کمبود گرانش منجر به کاهش فشار بر روی استخوان‌های تحمل‌کننده وزن می‌شود که عامل مهمی در ایجاد پوکی استخوان است. ‌تعلیق اندام عقبی شامل بالا بردن اندام تحتانی برای جلوگیری از تحمل وزن است و در نتیجه باعث ایجاد پوکی استخوان می‌شود [11]. برای تسهیل تغذیه و جداسازی موش از ادرار و مدفوع، بدنه قفس‌ها مشابه قفس‌های متابولیک طراحی شد. یک سوراخ ‌در سقف قفس برای خروج از دم ایجاد شد و یک صفحه پلاستیکی به آن اضافه شد تا امکان جویدن چسب و رها شدن دم به حداقل ‌برسد. اندازه قفس طوری طراحی شده بود که موش‌ها علی‌رغم آویزان شدن از ناحیه دم، به راحتی به مخزن آب و غذا دسترسی ‌داشته باشند. بدن موش‌ها در زاویه 30 درجه نسبت به کف قفس قرار گرفته بود تا اطمینان حاصل شود که پاهای عقبی با ‌توری کف قفس تماس پیدا نمی‌کنند.

در مطالعه حاضر که به تأیید کمیته اخلاق رسیده است، کلیه مراقبت‌ها و اصول اخلاقی به‌طور کامل بر اساس دستورالعمل‌های بین‌المللی مراقبت و استفاده از حیوانات آزمایشگاهی رعایت شدند.

از میانگین و انحراف معیار برای بیان متغیرهای کمّی استفاده شد. برای بررسی نرمال بودن داده‌ها از آزمون شاپیرو-ویلک استفاده شد. همگنی واریانس‌ها نیز با استفاده از آزمون لوین ارزیابی شد. برای مقایسه شاخص‌ها در قبل و پس از دوره مداخله در گروه‌های تحقیق از آزمون تی زوجی استفاده شد. برای مقایسه گروه‌ها با هم از آزمون تی مستقل استفاده شد. از نرم‌افزار ‏SPSS‏ نسخه 18 جهت تحلیل داده‌ها استفاده شد. سطح معنی‌داری ‏‏0.05‏‏ در نظر گرفته شد.

در گروه مداخله افزایش معنی‌داری سطح روی پس از 30 روز مطالعه مشاهده شد (‏‏0.002‏‏=‏p).‏ همچنین افزایش قابل توجهی در سطح ‏BAP‏ هر دو گروه وجود داشت (‏‏0.001‏‏‏p‏<‏).‏ علاوه بر این، افزایش ‏BAP‏ مشاهده شده در گروه مداخله به طور معنی‌داری بیشتر از گروه کنترل بود (‏‏0.001‏‏‏p‏<‏).‏ سطح استئوکلسین، کاهش معنی‌داری در هر دو گروه داشت (‏‏0.001‏‏‏p‏< برای گروه مداخله و ‌‏‏0.01‏‏=‏p‏ برای گروه کنترل)؛ ولی بین دو گروه اختلاف معنی‌داری وجود نداشت. (جدول 1)

در این مطالعه، اثرات مکمل روی خوراکی و بی‌وزنی بر نشانگرهای خاص تشکیل استخوان ‏(BAP‏ و ‌استئوکلسین) در یک دوره 30 روزه با استفاده از یک مدل شبیه‌سازی شده بررسی شد. نتایج نشان داد ‌که بی‌وزنی باعث کاهش معنی‌دار سطح استئوکلسین در موش‌های معلق شده شد. اگرچه 30 روز دریافت خوراکی مکمل روی باعث بهبود سطح استئوکلسین نشد، ولی باعث افزایش ‏BAP‏ نسبت به گروه کنترل شد.
از دست دادن استخوان در فضا بیشتر در استخوان‌های تحمل کننده وزن اندام تحتانی و ستون فقرات دیده می‌شود. افرادی که شش ‌ماه را در فضا می‌گذرانند حدود 20% از توده استخوانی اندام تحتانی خود را از دست می‌دهند. پس از بازگشت به زمین، ‌تحلیل استخوان ماه‌ها ادامه دارد. این میزان از دست دادن استخوان منجر به افزایش قابل توجهی خطر شکستگی (تا حدود 5 ‌برابر بیشتر از حد انتظار بر روی زمین) می‌شود [13]. مطابق با یافته‌های مطالعه حاضر، در حالی که سطوح ‏BAP‏ ممکن است افزایش اولیه را نشان دهد (که نشان دهنده برخی فعالیت‌های استئوبلاستی است)، استئوکلسین معمولاً به دلیل کاهش تشکیل کلی استخوان کاهش می‌یابد.
اثربخشی مکمل روی در افزایش فعالیت آلکالن فسفاتاز تأیید شده است. سئو[3] و همکاران نشان دادند که روی می‌تواند اثر استخوان‌زایی را با تحریک تکثیر سلولی، فعالیت آلکالن‌فسفاتاز و سنتز کلاژن در سلول‌های استئوبلاست افزایش دهد. [14]. لو[4] و همکاران نشان داد که روی یکی از اجزای درگیر در سنتز آلکالن‌فسفاتاز ‌است و برای فعالیت آن ضروری است [15]. پارک[5] و همکاران دریافتند که ‌روی با مهار مسیر سیگنالینگ ‏Ca²‏⁺­‏Calcineurin‏­‏NFATc1‏ در مونوسیت‌های مشتق از مغز استخوان، استئوکلاستوژنز ‌را در موش‌ها مهار می‌کند. آنها پیشنهاد کردند که روی می‌تواند کاندید خوبی برای درمان پوکی استخوان به دلیل فعال شدن ‌‏NFATc1‏ در استئوکلاست‌ها باشد [16]. چندین مطالعه نشان داده‌اند که افزودن روی در رژیم غذایی یک اقدام مؤثر در جلوگیری از ‌تحلیل استخوان است. چو[6] و همکاران دریافتند که مکمل روی در پیشگیری و درمان پوکی استخوان در مدل موش ‌مؤثر است [17]. سان[7] و همکاران اثربخش بودن روی در رژیم غذایی را بر رشد استخوان، متابولیسم، و بیان ژن ‏IGF‏-‏I‏ و آلکالن‌‌فسفاتاز در موش‌های نر در حال رشد نشان دادند [18].
مطالعه حاضر نشان داد که بی‌وزنی باعث کاهش تشکیل استخوان (استئوکلسین) در حضور و عدم حضور مکمل روی شد و تجویز روی هیچ ‌تأثیری بر کاهش استئوکلسین نداشت. بی‌وزنی باعث ‌افزایش ‏BAP (‏فعالیت‌های استئوبلاستی) شد و مکمل روی به طور معنی‌داری سطوح آن را را بالاتر برد. لذا یافته‌ها نشان داد که مکمل روی ممکن است در جلوگیری از تحلیل استخوان در سفرهای ‌فضایی طولانی مدت مؤثر نباشد و تحقیقات بیشتری برای تعیین استراتژی‌های بهینه برای حفظ سلامت استخوان در شرایط بی‌وزنی مورد ‌نیاز است.

این مطالعه به تصویب دانشگاه علوم پزشکی آجا (کد: ‌‏92108)‏ رسیده است. نویسندگان از همکاری دانشگاه علوم پزشکی ایران و دانشکده طب هوافضا و زیرسطحی دانشگاه علوم ‌پزشکی آجا تشکر می‌کنند.

در این پژوهش هیچ‌گونه تعارض منافعی وجود ندارد.

همه نویسندگان در ایده‌پردازی و انجام طرح، همچنین نگارش اولیه مقاله یا بازنگری آن سهیم بوده‌اند و همه با تأیید نهایی آن مسئولیت دقت و صحت مطالب مندرج را می‌پذیرند.

این پژوهش با حمایت دانشگاه علوم پزشکی آجا انجام شد.

1. L HW. Human physiological limitations to long-term spaceflight and living in space. Aerospace Medicine and Human Performance. 2023;94(6):444-456. doi:10.3357/AMHP.6190.2023
2. Russell BK, Burian BK, Hilmers DC, Beard BL, Martin K, Pletcher DL, et al. The value of a spaceflight clinical decision support system for earth-independent medical operations. Nature Partner Journals Microgravity. 2023;9(1):46. doi:10.1038/s41526-023-00284-1
3. Smith K, Mercuri J. Microgravity and radiation effects on astronaut intervertebral disc health. Aerospace Medicine and Human Performance. 2021;92(5):342-352. doi:10.3357/AMHP.5713.2021
4. Coulombe JC, Senwar B, Ferguson VL. Spaceflight-induced bone tissue changes that affect bone quality and increase fracture risk. Current Osteoporosis Reports. 2020;18(1):1-12. doi:10.1007/s11914-019-00540-y
5. Marfia G, Guarnaccia L, Navone SE, Ampollini A, Balsamo M, Benelli F, et al. Microgravity and the intervertebral disc: The impact of space conditions on the biomechanics of the spine. Frontiers in Physiology. 2023;14:1124991. doi:10.3389/fphys.2023.1124991
6. Cannavo A, Carandina A, Corbi G, Tobaldini E, Montano N, Arosio B. Are skeletal muscle changes during prolonged space flights similar to those experienced by frail and sarcopenic older adults? Life (Basel). 2022;12(12). doi:10.3390/life12122139
7. Sibonga JD, Cavanagh PR, Lang TF, Leblanc AD, Schneider VS, Shackelford LC, et al. Adaptation of the skeletal system during long-duration spaceflight. Clinical Reviews in Bone and Mineral Metabolism. 2007;5:249-261.
8. Smith SM, Heer M. Calcium and bone metabolism during space flight. Nutrition. 2002;18(10):849-852. doi:10.1016/s0899-9007(02)00895-x
9. O'Connor JP, Kanjilal D, Teitelbaum M, Lin SS, Cottrell JA. Zinc as a therapeutic agent in bone regeneration. Materials (Basel). 2020;13(10):2111. doi:10.3390/ma13102211
10. Clezardin P, Coleman R, Puppo M, Ottewell P, Bonnelye E, Paycha F, et al. Bone metastasis: mechanisms, therapies, and biomarkers. Physiological Reviews. 2021;101(3):797-855. doi:10.1152/physrev.00012.2019
11. Globus RK, Morey-Holton E. Hindlimb unloading: rodent analog for microgravity. Journal of Applied Physiology. 2016;120(10):1196-1206. doi:10.1152/japplphysiol.00997.2015
12. Yousofvand N, Hasanvand V. Therapeutic effect of garlic flower extract and zinc sulphate combined on hematocrit in streptozotocin-induced diabetic rats. Experimental Animal Biology. 2019;7(4):39-46. doi:10.30473/eab.2019.5689
13. Clément G, Hamilton D, Davenport L, Comet B. Medical survey of European astronauts during Mir missions. Advances in Space Research. 2010;46(7):831-839. doi:https://doi.org/10.1016/j.asr.2010.05.023
14. Seo H-J, Cho Y-E, Kim T, Shin H-I, Kwun I-S. Zinc may increase bone formation through stimulating cell proliferation, alkaline phosphatase activity and collagen synthesis in osteoblastic MC3T3-E1 cells. Nutr Res Pract. 2010;4:356 - 361. doi:10.4162/nrp.2010.4.5.356
15. Lowe NM, Lowe NM, Fraser WD, Jackson MJ. Is there a potential therapeutic value of copper and zinc for osteoporosis? The Proceedings of the Nutrition Society. 2002;61(2):181-185. doi:10.1079/PNS2002154
16. Park KH, Park B, Yoon DS, Kwon SH, Shin DM, Lee JW, et al. Zinc inhibits osteoclast differentiation by suppression of Ca2+-Calcineurin-NFATc1 signaling pathway. Cell Commun Signal. 2013;11:74. doi:10.1186/1478-811X-11-74
17. Chou J, Hao J, Hatoyama H, Ben-Nissan B, Milthorpe B, Otsuka M. The therapeutic effect on bone mineral formation from biomimetic zinc containing tricalcium phosphate (ZnTCP) in zinc-deficient osteoporotic mice. PLoS One. 2013;8(8):e71821. doi:10.1371/journal.pone.0071821
18. Sun JY, Wang JF, Zi NT, Jing MY, Weng XY. Effects of zinc supplementation and deficiency on bone metabolism and related gene expression in rat. Biol Trace Elem Res. 2011;143(1):394-402. doi:10.1007/s12011-010-8869-9