A maneira mais segura de viajar longas distâncias no espaço pode ser a hibernação artificial.
Algum dia os astronautas, enfiados como espadilhas em latas de foguetes e voando para outros planetas, estarão protegidos da radiação e do enjôo espacial por uma diminuição na taxa de metabolismo do corpo. Eles hibernarão por meses como ursos, e espaçonaves os transportarão através do espaço e do tempo. Provavelmente, dormirão em casulos brancos, semelhantes a caixões, que nos são mostrados por diretores de ficção científica futurista em filmes como "2001: Uma Odisséia no Espaço", "Alien" e "Avatar".
Mas os astronautas e colonos espaciais provavelmente aprenderão uma ou duas coisas com os caracóis desidratados, que podem sobreviver por mais de um ano sem comer nada. Ou em pandas gigantes, que se alimentam de bambu de baixa caloria. E também em sanguessugas que podem sobreviver em nitrogênio líquido; em crianças que caíram na água gelada e depois ressuscitaram; em esquiadores enterrados em uma avalanche, mas lentamente voltando à vida de um estado de hipotermia sem sonhos.
Os cientistas chamam esse fenômeno de "hibernação atordoada". Era uma vez tal torpor, ou torpor, considerado algo estranho e bizarro, e era chamado de "insensibilidade de funções". Agora está sendo estudado seriamente, na esperança de se beneficiar de voos espaciais de longo prazo.
Esse interesse se deve em parte aos avanços na cirurgia criogênica, bem como aos novos conhecimentos adquiridos na prática. Um desses casos foi relatado em 1995 na revista Prehospital and Disaster Medicine. Um menino de quatro anos caiu através do gelo em água fria em um lago em Hanover, Alemanha. As equipes de resgate o tiraram da água, mas não conseguiram trazê-lo de volta aos seus sentidos no local. As pupilas do menino dilataram e seu coração parou por 88 minutos. Quando a vítima foi levada para o hospital, sua temperatura corporal era de 20 graus, o que indicava hipotermia extrema.
Após 20 minutos, quando os médicos começaram a aquecer a cavidade torácica do menino, os ventrículos de seu coração começaram a se contrair. Depois de mais dez minutos, o ritmo sinusal voltou ao normal. Em duas semanas, o menino se recuperou completamente e recebeu alta do hospital. Os médicos concluíram que a água gelada resfriava rapidamente seu corpo a um estado de estupor metabólico (torpor), preservando todos os órgãos e tecidos vitais e, ao mesmo tempo, reduzindo a necessidade de oxigênio para a circulação sanguínea. Na verdade, o frio salvou sua vida. “Esses tipos de casos nos levam a pensar que uma hipotermia muito profunda pode permitir que nossos pacientes sobrevivam”, escreveu Samuel Tisherman, professor de cirurgia da Escola de Medicina da Universidade de Maryland, por e-mail. - O principal é resfriar o cérebro até que o fluxo sanguíneo pare,ou imediatamente após parar. Quanto mais baixa a temperatura, melhor o cérebro vai lidar com a falta de fluxo sanguíneo."
A hipotermia terapêutica está firmemente estabelecida na prática cirúrgica. Os experimentos de refrigeração começaram na década de 1960, principalmente com recém-nascidos e aqueles com doenças cardiovasculares. Os recém-nascidos eram enrolados em cobertores de refrigeração, colocados no gelo e até mesmo em mechas para diminuir a circulação sanguínea e reduzir a demanda de oxigênio antes da cirurgia cardíaca.
Hoje, os médicos usam hipotermia leve (aproximadamente 31 graus) para tratar certos recém-nascidos em casos graves, como parto prematuro ou hipóxia fetal. As crianças são tratadas em cápsulas de resfriamento por 72 horas, diminuindo seu metabolismo a tal ponto que as necessidades de oxigênio dos tecidos são atendidas, enquanto o cérebro e outros órgãos vitais são restaurados.
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Da mesma forma, os cirurgiões usam refrigeração e supressão metabólica para tratar pacientes que sofrem de trauma físico e lesões, como ataque cardíaco, derrame, ferimentos por arma de fogo, sangramento abundante e ferimentos na cabeça que causam edema cerebral. Em emergências, o anestesiologista pode inserir um tubo fino de cateter no nariz do paciente, que fornece nitrogênio resfriador diretamente para a base do cérebro. Em um experimento de tratamento, os cirurgiões inserem um cateter de máquina coração-pulmão através do tórax na aorta, ou através da virilha na artéria femoral. Esses tubos são usados para fornecer solução salina fria para reduzir a temperatura corporal e repor o sangue perdido. Quando o traumatologista para o sangramento, a máquina coração-pulmão reinicia o fluxo sanguíneo e o paciente recebe uma transfusão de sangue.
“Se você aplicar o frio rápido o suficiente, antes que o coração pare, os órgãos vitais, e em particular o cérebro, serão capazes de suportar o frio sem sangue por algum tempo”, explica Tisherman. Ele está conduzindo testes clínicos com uma solução salina fria em uma clínica de Baltimore tentando ajudar pacientes gravemente feridos. Tisherman espera continuar sua pesquisa pelo menos até o outono de 2018, ou talvez mais.
A hipotermia resultante desacelera rapidamente ou interrompe a circulação sanguínea por cerca de uma hora. Conseqüentemente, a necessidade de oxigênio diminui e os cirurgiões têm tempo para curar feridas potencialmente fatais, após o que podem aquecer o paciente e trazê-lo de volta à vida.
Enigma de torpor
Hoje, muitos na comunidade aeroespacial estão depositando suas esperanças na hipotermia gerada por medicamentos e na desaceleração resultante no metabolismo como uma forma de economizar espaço, peso, carga, combustível, comida e depressão durante longos voos para Marte ou planetas mais distantes. A pesquisa nessa direção está apenas começando. Um problema é puramente médico. Qual é a melhor maneira de hibernar astronautas saudáveis? É bem conhecido a hipotermia terapêutica na sala de cirurgia, mas como manter as pessoas no espaço sideral frescas e hibernando por semanas, meses e até anos? Esta é uma área completamente inexplorada. Alguns cientistas que estudam a hibernação em animais dizem que outros métodos de suprimir o metabolismo são melhores. Esta é uma dieta especialradiação de baixa frequência e até mesmo o uso de proteínas que induzem a hibernação em animais como ursos e esquilos terrestres beringianos, pois regulam com segurança a taxa metabólica com possibilidade de saída do torpor.
Outro problema óbvio é o financiamento. Quanto dinheiro a NASA alocará para estudar a desaceleração metabólica em animais e humanos se a agência cortar o orçamento até mesmo para voos espaciais? O ex-diretor do Ames Research Center na Califórnia, Pete Worden, agora diretor executivo do projeto Breakthrough Starshot, diz que porque a NASA dá grande ênfase à biologia sintética e à sobrevivência e funcionamento de organismos em um ambiente incomum como Marte, “o que é a hibernação será financiada, é quase inevitável."
Esse otimismo não é compartilhado por todos. “As pessoas estão desapontadas”, disse Yuri Griko, um radiobiólogo treinado pela NASA e pesquisador líder na divisão de biologia espacial do Ames Center. - Quando um satélite voou para o espaço em 1957, minha geração exultou e exultou. Acreditamos que voaríamos para Marte já no século XX. Mas … é o século 21, e nunca voamos para Marte. Pessoas como eu têm um sentimento de ressentimento pessoal, pois esperávamos ir muito mais longe do que estamos agora."
Griko admite que a pesquisa sobre a redução do metabolismo está atualmente no limbo. Ele começou a trabalhar na NASA em 2005 e, antes disso, trabalhou por cinco anos na empresa de biotecnologia Clearant, Inc., onde usava radiação ionizante para bloquear a atividade de patógenos em hemoderivados, em órgãos para transplante e em produtos biológicos. A agência espacial então convidou Griko para conduzir pesquisas para proteger os astronautas da radiação espacial. Descobriu-se que desacelerar o metabolismo é um dos mecanismos mais eficazes que a natureza nos proporciona.
Quando os animais hibernam, seu corpo transporta radiação sem danos significativos às células. Griko acredita que uma diminuição no metabolismo leva a uma diminuição nos danos da radiação, uma vez que os processos bioquímicos são retardados e o estresse oxidativo é enfraquecido. A hipóxia, ou baixos níveis de oxigênio no sangue e nos tecidos, é uma explicação possível para o efeito de proteção contra radiação. Com a hipóxia, a formação de oxigênio livre e radicais hidroxila é reduzida. Já que a radiação ionizante libera radicais livres, causando danos às células, desacelerando o metabolismo e reduzindo o consumo de oxigênio funcionam na direção oposta. Esses processos interferem na morte das células normais e prolongam a vida das células saudáveis. Este efeito protetor é muito mais pronunciado em temperaturas mais baixas.
Griko acredita que a hibernação também pode proteger os animais da atrofia óssea e muscular, que geralmente ocorre em gravidade zero. Segundo ele, uma pessoa que se alimenta normalmente, depois de passar 90 dias acamada, perde mais da metade da força muscular. Mas um urso que não come nada e dorme em sua cova quase ao mesmo tempo ou um pouco mais perde apenas 25% de sua força muscular e não mostra sinais de perda óssea. O cientista observa que animais em hibernação, como tartarugas e marsupiais, não são enviados ao espaço há décadas.
A NASA negou seu pedido para financiar experimentos espaciais com animais em hibernação. Hoje, o trabalho científico de Griko se limita a analisar pesquisas sobre hibernação, e ele também conduz suas próprias pesquisas de laboratório, estudando a estase em camundongos, caramujos e sanguessugas. O cientista propôs organizar uma conferência internacional sobre torpor em 2015, convidando especialistas mundiais para ela e discutindo a questão de como a hibernação pode ser encontrada no espaço sideral. A NASA se recusou a financiá-lo, mas Griko ainda espera conseguir o dinheiro necessário.
“Existem obstáculos significativos para o estudo do torpor, embora sem isso não possamos falar seriamente sobre voos espaciais de longa distância”, disse o ex-astronauta da NASA e comandante da tripulação da ISS Leroy Chiao, que passou 193 dias em órbita de outubro de 2004 a abril de 2005. Do ano. A pesquisa com animais é um tópico particularmente desafiador porque a NASA já criticou os defensores dos animais no passado. “Até a pesquisa com primatas é vista com hostilidade pelos humanos”, observa Chiao.
A solução está em dois planetas
Jason Derleth, gerente do programa de conceitos avançados inovadores da NASA (NIAC), vê motivos para esperança. Sob sua liderança, o programa concedeu duas bolsas de inovação desde 2013, apoiando os planos detalhados de uma empresa para criar um laboratório intermediário em Marte usando técnicas de hibernação artificial. A empresa líder para este projeto, SpaceWorks Enterprises, é um designer aeroespacial e contratante da NASA e do Departamento de Defesa. Ele está localizado em Dunwoody, Geórgia, a 30 quilômetros de Atlanta. A empresa participou da criação do formato CubeSat para pequenos satélites artificiais de terra. Mas foi o torpor que atraiu a atenção especial do presidente e engenheiro-chefe desta empresa, John Bradford (John Bradford).
“Há 15 anos me pergunto como projetar os materiais, estruturas e sistemas de propulsão que nos permitirão voar até Marte e seus satélites”, diz Bradford. Ele é Ph. D. e engenheiro aeroespacial. Bradford liderou vários projetos da NASA, da Defense Advanced Research Projects Agency e do Air Force Research Laboratory para construir aviões militares. Ele também foi consultor do filme de ficção científica Passageiros, lançado em 2016. Lá, os colonos interplanetários, interpretados por Jennifer Lawrence e Chris Pratt, acordam do sono artificial antes do tempo. “Não estamos mais filmando a missão Apollo”, explica Bradford. - Sem bandeiras e pegadas. Devemos nos tornar uma espécie de dois planetas."
A equipe de engenharia médica de Bradford usou a primeira concessão de Innovative Advanced Concepts em 2013 para projetar um módulo residencial compacto de gravidade zero a partir de estruturas rígidas, baseado no módulo de habitação ISS. Nesta casa espacial, foi fornecido um sistema de ciclo fechado para a produção de oxigênio e água, acesso direto ao módulo de decolagem e pouso para pouso em Marte, bem como um complexo de suporte de vida para seis pessoas que deveriam mergulhar em estado de torpor durante todo o tempo de vôo (de seis a nove meses).
A técnica de hibernação artificial proposta é baseada nas técnicas utilizadas pelos cirurgiões para induzir a hipotermia em um paciente. Por exemplo, o nitrogênio do gás de resfriamento pode ser fornecido a um astronauta por meio de um tubo nasal, baixando a temperatura do cérebro e do corpo para 31 graus. Isso é suficiente para manter a hibernação, mas ao mesmo tempo o coração não esfria demais e não há risco de outras complicações. Com o resfriamento, a coagulação do sangue diminui, observa Tisherman. Ele também notou que os pacientes expostos à hipotermia moderada (33 graus) por dois ou mais dias têm maior probabilidade de ter infecções do que as pessoas não refrigeradas.
Na casa espacial da SpaceWorks Enterprises, manipuladores mecânicos modulares são programados para fazer tarefas, exercitar os membros dos astronautas, verificar os sensores corporais, esvaziar recipientes de urina e monitorar o fornecimento de nutrientes. Os robôs devem enviar impulsos elétricos aos músculos dos astronautas, mantendo-os em boa forma, e também injetar sedativos para suprimir os tremores naturais. Os astronautas também precisam receber nutrição parenteral completa com substâncias como eletrólitos, D-glicose, lipídios, vitaminas e assim por diante. Eles são fornecidos ao corpo com fluido por meio de um cateter que é inserido no tórax ou na coxa. No módulo experimental, foram criados estoques de nutrição parenteral total para 180 dias. Mas se o vôo para Marte durar mais,no módulo, você pode criar um estoque de alimentos para outros 500 dias.
No geral, o SpaceWork foi capaz de reduzir o peso total do Habitat Compacto para 19,9 toneladas, incluindo consumíveis e consumíveis (baixo peso na órbita da Terra). Em comparação, a unidade habitacional TransHab da NASA, junto com suprimentos e suprimentos, pesa 41,9 toneladas. Isso é 52% a mais do que o SpaceWork. Em comparação com o módulo SpaceWork da NASA, o peso total do estoque foi reduzido em 70%.
A gerência do programa NIAC ficou intrigada. “A SpaceWorks fez uma proposta interessante”, diz Derlet. “As pessoas estudaram a hibernação para fins médicos. Mas, pelo que sabemos, ninguém está atualmente realizando um estudo construtivo sobre o uso de hipotermia ou torpor em voos espaciais."
Em 2013, a administração da NIAC forneceu à SpaceWorks a primeira parte de uma doação de US $ 100.000 para desenvolver uma plataforma exemplar para voos de pesquisa com sono artificial para Marte e seus satélites. A tripulação deveria incluir de quatro a oito pessoas. No entanto, a agência espacial se opôs à proposta de colocar todos os membros da tripulação em sono artificial durante toda a duração do vôo. E se houver complicações médicas ou mau funcionamento da espaçonave? Quanto tempo vai demorar até que os astronautas comecem a sofrer danos psicológicos e físicos? E se as complicações a bordo exigirem que eles acordem cedo? E o que dizer do despertar gradual e lento e do reaquecimento do corpo ao despertar o astronauta da hibernação?
Essas perguntas empurraram a equipe do SpaceWorks de volta ao trabalho. Eles projetaram um compartimento para a tripulação permanecer em estado de sono artificial, prevendo que vários astronautas se revezassem acordados para pilotar a nave e realizar os trabalhos necessários (como em "Odisséia no Espaço", onde dois tripulantes a caminho de Júpiter estavam acordados, enquanto enquanto o resto estava em hibernação artificial).
A equipe de Bradford foi mais longe. Ao projetar três módulos vivos interconectados para 100 passageiros deslocados (para povoar Marte), ela criou uma espaçonave com um compartimento vivo que é completamente diferente de tudo que a NASA havia planejado. A baía deslocada do SpaceWorks contém duas unidades habitacionais rotativas compactas, cada uma contendo 48 passageiros em torpor. A rotação em velocidades diferentes cria uma força gravitacional artificial que evita a perda óssea.
Mas a equipe de Bradford tinha outra proposta mais ousada. Em um módulo residencial separado, ela decidiu colocar quatro astronautas de serviço, que deveriam servir ao navio e à tripulação durante todo o vôo. Enquanto um dorme, três trabalham, mantendo assim suas forças.
Voo para Marte pela SpaceX
“Girar a tripulação adormecida e acordar alguns astronautas para assistir é mais benéfico do que ter todos os astronautas hibernando por meio ano”, diz Bradford. Uma nave espacial com colonos em estado de torpor será mais leve, o que aumentará muito sua velocidade, encurtará o tempo de vôo e, possivelmente, também fornecerá proteção mais confiável contra a radiação devido à desaceleração do metabolismo. Além disso, diz Bradford, os astronautas adormecidos não terão enjôo, que é um problema comum para os residentes da ISS.
Bear hibernação
Mas qual será a sensação de torpor no espaço sideral? Não, não se trata de congelar até a morte em uma unidade criogênica e depois revitalizar, diz Doug Talk, obstetra-ginecologista e consultor do SpaceWorks, que usa a hipotermia terapêutica para tratar crianças privadas de oxigênio. “A criogenia tem sucesso zero aqui”, explica ele. - O corpo humano não se destina a ser congelado; consiste principalmente de água e, quando a água aumenta de volume [isso acontece quando congela], leva à destruição das células."
Em vez disso, os astronautas hibernarão como um coma. Este é um cruzamento entre o sono sem sonhos e um estado semiconsciente. “Os pacientes em coma têm ciclos de atividade cerebral desde a aparente vigília até um sono profundo e sem sonhos”, explica Tock. Embora os pacientes em coma não consigam se mover, seus cérebros permanecem ativos e até respondem a estímulos externos, incluindo comandos verbais.
Os ursos em hibernação experimentam algo semelhante. Sua temperatura corporal cai apenas alguns graus (como ocorre com a hipotermia moderada em humanos) e seu metabolismo é reduzido em 75%. Os ursos em climas do norte podem hibernar de sete a oito meses sem comer ou beber nada; e as mulheres grávidas dão à luz filhos e os alimentam mesmo na hibernação.
“Pessoas em torpor se comportarão como ursos”, sugere Tok. “Eles terão ciclos da vigília ao sono profundo sem sonhos. E como os ursos, quando acordarem, mostrarão sinais de privação de sono."
Em maio de 2016, a gerência do NIAC aprovou a segunda fase do projeto SpaceWorks, desta vez fornecendo $ 250.000 para continuar a pesquisa de engenharia, bem como pesquisa operacional e médica. “Os projetos da Fase 1 provaram que nossa visão é real”, diz Derlet. "Estamos felizes que o Dr. Bradford está fazendo progressos."
A equipe do SpaceWorks sugeriu algumas melhorias de design para o módulo de vida, bem como um experimento com sono artificial por um período de duas a três semanas com vários porcos saudáveis. Os porcos, como os humanos, não hibernam em seu ambiente natural e, portanto, sua reação fisiológica ao sono artificial ajudará melhor as pessoas a entender o que esperar do torpor do que experimentos em ratos e caracóis. Mas, de acordo com Derleth, as regras da NASA proíbem o financiamento de pesquisas em porcos.
Portanto, a SpaceWorks surgiu com uma proposta alternativa: estudar de forma abrangente os experimentos já realizados e em andamento para suprimir o metabolismo, a fim de criar com base nisso um programa de ação para o futuro próximo para desenvolver as tecnologias necessárias que permitirão a transição para testes em humanos, incluindo estudos mais sistemáticos em animais. Neste verão, o NIAC deve conduzir uma revisão provisória do SpaceWorks e decidir se alocará ou não outros $ 250.000 em financiamento.
“Continuamos a acreditar na necessidade de pesquisas sobre seres vivos para desenvolver tecnologias de torpor e aplicá-las a longo prazo”, escreveu o fundador e CEO da SpaceWorks, John Olds. “E essa etapa pode exigir a participação de patrocinadores privados”.
Quem quer que pague por esse trabalho terá dificuldade em fazer experimentos em animais porque isso levanta questões éticas.
“Acho que a NASA está certa em agir lenta e gradualmente”, disse Arthur Caplan, diretor de ética médica do New York University Medical Center. Enquanto muitos estão entusiasmados com a promessa de sono artificial durante missões espaciais prolongadas, a NASA não precisa do incômodo adicional que os defensores dos animais podem ter, disse ele.
“Os porcos são muito semelhantes aos humanos em fisiologia, então faz sentido usá-los para experimentos”, diz Kaplan. "E para os críticos, podemos dizer o seguinte: o número de porcos que serão recrutados para esse tipo de pesquisa será menor do que o americano médio come em uma semana no café da manhã."
Fator humano
Em filmes e livros de ficção científica, o torpor é idealizado e romantizado, diz Kaplan. Eles dão a impressão de que uma pessoa pode facilmente entrar e sair desse estado de coma. Mas a realidade pode ser diferente.
De acordo com Kaplan, os primeiros experimentos serão realizados com a participação de pessoas bastante incomuns - provavelmente, serão pilotos de teste. “Essas pessoas arriscam suas vidas todos os dias; eles entendem os riscos fisiológicos porque testam aviões e sabem que muitos de seus colegas morreram. Os astronautas me disseram que estão prontos para participar de qualquer experimento, apenas para voar ao espaço. Nosso trabalho é contê-los”, afirma.
A experimentação humana será um passo sem precedentes. Ninguém jamais usou a hipotermia para desacelerar o metabolismo em pessoas que não estão doentes ou feridas, muito menos em astronautas excepcionalmente saudáveis.
“Temos muitas pessoas saudáveis que expressaram o desejo de participar de experimentos de longo prazo com sono artificial”, diz Tok. - Há uma demanda reprimida de pessoas que estão prontas para se desconectar da vida por seis meses. Tenho certeza que as autoridades de saúde não aprovarão isso."
Enquanto isso, Tok recrutou dois especialistas em hipotermia terapêutica para a equipe de pesquisa do SpaceWorks: Alejandro Rabinstein, diretor médico da Unidade de Terapia Intensiva de Neurologia da Clínica Mayo, e a neurocientista Kelly Drew, que trabalha em Fairbanks na Universidade do Alasca, com especialização em hibernação. animais. Drew, junto com outros cientistas do Instituto de Biologia Ártica da Universidade do Alasca, está estudando os padrões de hibernação de animais de sangue quente, como ouriços, esquilos terrestres de Beringian e ursos. Eles esperam resolver o mistério da hibernação saudável e dos sinais cerebrais que a acionam, acreditando que ajudará os astronautas a se adaptarem sem efeitos colaterais.
Por exemplo, no esquilo-terrestre de Beringian (evrazhka) no inverno, a temperatura corporal cai para zero grau. Nenhum cientista sabe exatamente o que aciona o mecanismo de hibernação. É verdade que existe uma suposição de que um receptor especial de cérebro e músculo - o receptor de adenosina A1 - leva a uma diminuição na temperatura corporal do esquilo-terrestre e o faz dormir, do qual ele acorda oito meses depois com perda mínima de massa óssea e muscular.
“A adenosina é um neuromodulador que estimula o sono e reduz a excitabilidade cerebral”, diz Drew. "É onipresente em cérebros de animais." Ela injetou em euras de hibernação uma droga que estimula seus receptores de adenosina A1. Drew também pode acordar gophers usando outra droga que bloqueia esses receptores.
Mas a cascata de sinalização e o conjunto de genes em humanos são muito mais complicados e muito difíceis de decifrar. Para complicar a tarefa, os animais em hibernação dormem de maneiras diferentes.
O único primata que hiberna é o lêmure pigmeu de Madagascar, que passa oito meses por ano em torpor, principalmente em climas quentes. Ele vive de depósitos de gordura na cauda. Uma diminuição no metabolismo neste animal não requer uma diminuição na temperatura corporal.
Enquanto isso, Rabinstein, que planeja conduzir uma análise de hipotermia leve para induzir o torpor, diz que as técnicas usadas em terapia intensiva no espaço podem não ser tão confiáveis.
“O fato de que crianças pequenas estão 'se afogando' em água gelada e depois voltam a si é notável e nos dá esperança”, diz ele. - Mas podemos aplicar nosso conhecimento [de hipotermia profunda] para criar uma hipotermia mais branda, de forma que as pessoas possam ficar nesse estado por muito mais tempo sem consequências danosas, sem estresse psicológico e fisiológico? Resta ver, mas achamos que há uma chance."
Arielle Emmett
