椎間板損傷と宇宙飛行

宇宙飛行士は宇宙飛行中に腰痛の発生率が増加したと報告しており、スカイラブやスペースシャトルの宇宙飛行参加者の帰還後には椎間板ヘルニア（IVD）と診断されている。

これらの症状や状態は過去の背中の怪我に起因する可能性もありますが、椎間板損傷の証拠は、宇宙飛行士が探査ミッション中に経験する負荷シナリオ（重力場への再突入や惑星表面での活動）において、椎間板損傷のリスクが高まる可能性を示唆しています。現在までのところ、潜在的な背中の怪我に関する飛行データは、脊椎の伸長と、椎間板への機械的負荷軽減の確立された影響に焦点を当てています。

1991年までに宇宙飛行を行った初期の宇宙飛行士の68％が、全身性の背中の痛みを報告している。^{[ 1 ]} 痛みは飛行初期に最も強く、飛行が進むにつれて軽減すると考えられている。

飛行中の背中の痛みの原因として考えられるものには、以下のようなものがあります。

• 重力低下による脊柱の伸長
• 体幹および背筋の筋力低下^{[ 2 ] [ 3 ]}（空間誘発性背筋萎縮を含む）
• 近位関節包のひずみの増加^{[ 4 ]}
• 骨折した神経支配椎体終板^{[ 5 ] [ 6 ]}
• 椎間板変性^{[ 7 ]}
• 線維輪ヘルニア^{[ 8 ]}

原因に関わらず、宇宙飛行士は、惑星表面での作業中に腫れた椎間板に過度の力やトルクがかかると、椎間板損傷のリスクが高まる可能性がある。惑星表面での探査ミッションでは、居住性の問題も発生する可能性があり、それが過度のねじり応力を引き起こし、線維輪ヘルニアの既知のリスク要因となる可能性がある。^{[ 9 ]}

現在、乗組員の椎間板の変化を特徴づけ、これらの変化が再負荷時に椎間板の損傷を引き起こす可能性を評価する飛行中および飛行後のデータはほとんどありません。椎間板ヘルニアは、高G環境にさらされる航空従事者に発生することが知られており^{[ 10 ]} 、ミッション後に宇宙飛行士にも発生しています。

椎間板損傷の相対リスク率はごく最近になって研究され始めたばかりであるが^{[ 11 ]}、椎間板損傷の原因と宇宙飛行による椎間板の変化を結びつける証拠は今のところない。

体重をかけない動物の椎間板組織の分析に基づくと、宇宙飛行中の髄核の生化学的変化は、髄核の浸透圧と弾性が圧縮荷重に抵抗する能力に影響を与える。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} 飛行後の乗組員の椎間板の生化学的変化は特定されていないが、ウシ軟骨外植片を用いたin vitro研究では、磁気共鳴技術を使用して椎間板プロテオグリカン含有量の変化とプロトンのT1ρ_{緩和を相関させている。} ^{[ 15 ]} このバイオマーカーにより、無重力の生化学的影響を評価する方法として、プロテオグリカン含有量の非侵襲的モニタリングが可能になる。

84日間に及ぶスカイラブ4号ミッション中、ある宇宙飛行士の脊椎の伸長が1/16インチ単位で測定・記録された（Thornton、1987）。この研究では、飛行中に無症状で身長が増加し、29日目で横ばいになったことが報告されている。ミッション終了時に測定された身長の増加は合計1.5インチ（3.8cm ）であった。この伸長は、無重力状態（軸方向の負荷軽減）中の椎間板の拡張によるものと推測される。また、この宇宙飛行士は着陸日に椎間板ヘルニアに伴う腰痛を訴えた。  

数名の宇宙飛行士が飛行直後に頸椎または腰椎の椎間板ヘルニアを発症したことを受け、椎間板損傷の発生率を評価するための後向きカルテレビューが行われた。 ^{[ 11 ]} この研究では、宇宙飛行士の椎間板損傷の発生率を、宇宙飛行経験のない同年齢の対照群と比較した。また、このレビューでは、以下の要因により椎間板損傷のリスクが増加するかどうかも明らかにする必要がある。

• 高G環境および低G環境への曝露
• 異常な姿勢での長時間の滞在
• 軸方向荷重がない状態での拡張による椎間板構造の変化

宇宙飛行による変化が椎間板損傷のリスクを高めるかどうかは不明である。なぜなら、負傷した宇宙飛行士の多くは、高性能ジェット機のパイロットとして（6～20G）、あるいはヘリコプターのパイロットとして、過去に何度も過剰なGフォースにさらされていた、あるいは振動にさらされていたという証拠があるからだ。

宇宙飛行後の椎間板損傷の病態生理は明確には解明されていない。宇宙飛行後に椎間板容積が増大すること、および地球の重力下で再負荷を受けた後に椎間板損傷が発生することは、無重力状態における椎間板の適応変化が、髄核の浸透圧と線維輪の抵抗性コラーゲン構造とのバランスを崩し、それによって椎間板構造がGフォースへの再曝露に耐える能力を低下させることを示唆している。高性能ジェット機での過剰なGフォースへの繰り返し曝露も、特に頸椎の椎間板構造を弱体化させ、これらの椎間板の損傷に対する感受性を高めた可能性がある。宇宙飛行による椎間板損傷の相対リスクは、宇宙飛行士集団の絶対リスクを、同様の飛行歴を持つ地上の対照群の絶対リスクと比較することによって明らかにする必要がある。

椎間板の体積変化は、軸方向の除荷のさまざまなシナリオに応じて磁気共鳴画像法によって定量化されました。^{[ 18 ]} 椎間板の断面積と横方向のプロトン緩和定数（T2）は、一晩のベッドレスト（5週間と17週間）と8日間の宇宙飛行後の椎間板の適応変化を監視するために使用された指標でした。ベッドレストによる椎間板の平均膨張は、除荷の9時間から4日の間に平衡に達したようで、膨張はベースラインのベッドレスト前の値の10～40%（平均＝22%）の範囲でした。椎間板面積の増加に対して、T2緩和時間はわずかに増加しました。除荷後の椎間板体積の回復は体系的に評価されていませんが、表1は、測定された椎間板体積がベースライン測定値と異ならなかった1Gでの経過時間の相対的な比較を示しています。椎間板が負荷軽減に適応する期間が長くなるにつれて、回復の相対的な期間も長くなるように思われる。

• 椎間板ヘルニア

 この記事は、米国航空宇宙局（NASA）の「宇宙探査ミッションにおける人間の健康とパフォーマンスのリスク」（PDF）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 (NASA SP-2009-3405)

• 超音波による宇宙飛行士脊椎検査（脊椎超音波検査）
• NASAはUSFの脊髄損傷専門家であるジョン・メイヤー博士に協力を依頼した。