Skeletdichtheid: waarom sterke botten cruciaal zijn voor ruimtevaart en gezond ouder worden
Skeletdichtheid, vaak botdichtheid genoemd, is een maat voor hoeveel mineraal — vooral calcium en fosfaat — er in een bepaald volume bot zit. Hoe hoger die dichtheid, hoe steviger en breukbestendiger het bot doorgaans is. Je kunt het vergelijken met een spons: een spons met veel stevig weefsel per kubieke centimeter houdt beter zijn vorm dan een spons die grotendeels uit lucht bestaat. Botten werken net zo: dichter, steviger weefsel weerstaat meer druk en klappen voordat het breekt.
Het onderwerp duikt de laatste jaren steeds vaker op in nieuws over toekomsttechnologie, en dat heeft een concrete reden: in de zwaartekracht van de aarde krijgen onze botten voortdurend een lichte trainingsprikkel, simpelweg door te staan, lopen en tillen. In de microzwaartekracht van een ruimtestation of tijdens een reis naar Mars valt die prikkel grotendeels weg. Astronauten verliezen daardoor sneller botmassa dan bijna elke groep mensen op aarde, wat onderzoekers dwingt tot nieuwe meettechnieken, medicatie en trainingsapparatuur — kennis die deels ook terugvloeit naar de behandeling van botontkalking (osteoporose) hier op aarde.
Wat is het precies?
Bot is geen dood, star materiaal maar levend weefsel dat voortdurend wordt afgebroken en opnieuw opgebouwd. Cellen genaamd osteoclasten breken oud botweefsel af, terwijl osteoblasten nieuw botweefsel aanmaken. Bij een gezond volwassen lichaam houden die twee processen elkaar ongeveer in evenwicht. Verstoort iets die balans — ouderdom, hormonale veranderingen, langdurige inactiviteit — dan wint de afbraak het van de opbouw en daalt de botdichtheid.
Om botdichtheid te meten, gebruiken artsen meestal een DEXA-scan (Dual-energy X-ray absorptiometry). Dit apparaat stuurt twee verschillende röntgenbundels door het lichaam; hoeveel straling wordt tegengehouden, verraadt hoeveel mineraal er in het bot zit. De uitkomst wordt vergeleken met de gemiddelde botdichtheid van een gezonde jongvolwassene, uitgedrukt in een zogeheten T-score. Voor gedetailleerder onderzoek, bijvoorbeeld naar de precieze structuur van het botweefsel, wordt soms pQCT gebruikt (perifere kwantitatieve computertomografie), een soort mini-CT-scan die ook de binnenste, sponsachtige botstructuur in beeld brengt.
In de ruimte speelt een extra factor mee: mechanische belasting. Botten reageren op druk en trekkrachten door zich te versterken — hardlopers en gewichtheffers hebben over het algemeen een hogere botdichtheid dan mensen die weinig bewegen. Val die belasting grotendeels weg, zoals in een baan om de aarde, dan interpreteert het lichaam dat kennelijk als een signaal dat er minder sterk bot nodig is, en begint het af te breken. Vooral gewichtdragende botten zoals het heupbot en de wervelkolom zijn hier gevoelig voor; onderzoeken bij ISS-bemanningen laten verliespercentages zien in de orde van grootte van één tot twee procent per maand, al variëren de exacte cijfers per studie, per bot en per individu.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar skeletdichtheid in de ruimtevaart heeft een heel praktisch doel: astronauts moeten na maanden of jaren in de ruimte nog veilig kunnen lopen, tillen en functioneren, zowel op een andere planeet als na terugkeer op aarde. Voor missies naar Mars, die al gauw twee tot drie jaar heen en terug duren, is dit geen bijzaak maar een centraal veiligheidsvraagstuk. Ernstig botverlies verhoogt het risico op breuken en kan het herstel na de vlucht maandenlang vertragen.
Tegelijk heeft dit onderzoek een duidelijke aardse kant. Osteoporose, waarbij botten broos worden door leeftijd of hormonale veranderingen (met name na de menopauze), treft wereldwijd tientallen miljoenen mensen en is een belangrijke oorzaak van heupbreuken bij ouderen. Omdat astronauten in korte tijd een vergelijkbaar, versneld proces van botverlies doormaken, functioneert ruimtevaart voor onderzoekers deels als een soort tijdmachine: wat normaal gesproken tientallen jaren duurt, speelt zich in de ruimte in maanden af. Inzichten en tegenmaatregelen die daar worden getest, kunnen dus ook osteoporosebehandeling op aarde verbeteren.
Voorbeelden uit de praktijk
NASA Twins Study (2015-2016): astronaut Scott Kelly bracht bijna een jaar door aan boord van het Internationaal Ruimtestation (ISS), terwijl zijn eeneiige tweelingbroer Mark op aarde bleef. Doordat beide mannen genetisch identiek zijn, konden onderzoekers het effect van de ruimtevlucht nauwkeurig isoleren, onder meer op botstofwisseling. De resultaten werden in 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Science en bevestigden onder andere verhoogde botafbraakmarkers tijdens de vlucht.
ARED, de Advanced Resistive Exercise Device: sinds 2008 gebruiken ISS-bemanningen dit trainingsapparaat, dat via vacuümcilinders weerstand simuleert vergelijkbaar met gewichtheffen op aarde. Het verving een eerder, minder effectief toestel en heeft het botverlies bij astronauten merkbaar teruggebracht, al voorkomt het dit niet volledig.
Bisfosfonaat-onderzoek bij astronauten: NASA heeft samen met onderzoekspartners geëxperimenteerd met bisfosfonaten, een medicijnklasse die normaal wordt voorgeschreven bij osteoporose op aarde en die botafbraak afremt. Studies bij ISS-bemanningen in het afgelopen decennium wezen op minder botverlies wanneer training werd gecombineerd met dit type medicatie, al is de bemanningsomvang in deze onderzoeken klein, wat harde conclusies bemoeilijkt.
Goedkeuring van romosozumab (merknaam Evenity, 2019): dit medicijn, ontwikkeld door Amgen en UCB, werkt anders dan klassieke osteoporosemiddelen: het remt niet alleen botafbraak maar stimuleert ook actief botopbouw. Het is een voorbeeld van hoe het aardse osteoporose-onderzoek zich razendsnel ontwikkelt, los van de ruimtevaartcontext, maar met potentiële relevantie voor toekomstige astronautenzorg.
Concepten voor kunstmatige zwaartekracht: voor toekomstige langeafstandsmissies onderzoeken NASA en verschillende universiteiten al decennialang roterende ruimtestations of -schepen, die door middelpuntvliedende kracht een gevoel van zwaartekracht zouden opwekken en zo botverlies aan de bron zouden kunnen aanpakken. Dit blijft vooralsnog overwegend theoretisch en experimenteel; geen enkele bemande missie heeft dit concept tot dusver in de praktijk gebracht.
Hoe ver is de techniek?
De huidige tegenmaatregelen — intensieve weerstandstraining, aangepaste voeding en in sommige gevallen medicatie — verminderen botverlies aantoonbaar, maar voorkomen het niet volledig. Astronauten die na zes maanden op het ISS terugkeren, hebben doorgaans nog altijd een meetbaar lagere botdichtheid dan voor vertrek, al herstelt een deel daarvan in de maanden na terugkeer.
Voor missies van jaren, zoals een reis naar Mars, is er nog geen sluitende oplossing. Kunstmatige zwaartekracht via rotatie is technisch complex en vergt grote, zware constructies die lastig te lanceren en te bouwen zijn. Medicatie die op aarde goed werkt tegen osteoporose is niet automatisch even effectief of veilig bij langdurig gebruik in een ruimtevaartcontext, en is daar nog nauwelijks op grote schaal getest. Onderzoekers zijn het er in grote lijnen over eens dat een combinatie van training, voeding en mogelijk medicatie de komende jaren de meest realistische aanpak blijft, in afwachting van eventuele doorbraken in kunstmatige zwaartekracht.
Op aarde gaat de ontwikkeling van osteoporosemedicatie en meettechnieken sneller: DEXA-scans zijn wijdverspreid en betaalbaar, en nieuwere medicijnen zoals romosozumab zijn al goedgekeurd. De belangrijkste uitdaging hier is minder technologisch en meer praktisch: veel mensen met verhoogd risico worden pas laat gediagnosticeerd, vaak na een eerste botbreuk.
Wie werken eraan?
In de ruimtevaart lopen NASA (met name het Human Research Program en het Johnson Space Center in Houston), het Europese ruimtevaartagentschap ESA, het Japanse JAXA en het Russische Roscosmos voorop in onderzoek naar botdichtheid bij astronauten, vaak in gezamenlijke ISS-experimenten. Diverse universitaire onderzoeksgroepen, onder meer in de Verenigde Staten en Europa, analyseren de verzamelde data over botstofwisseling en trainingsprotocollen.
Op het medische vlak dragen farmaceutische bedrijven zoals Amgen en UCB (ontwikkelaars van romosozumab) bij aan nieuwe behandelingen tegen osteoporose, terwijl organisaties als de International Osteoporosis Foundation en het Amerikaanse National Institutes of Health (NIH) onderzoek financieren en richtlijnen opstellen voor diagnose en behandeling.