Zanello, Susana

NASA Technical Reports Server

HUMAN HEALTH RISKS IN SPACE EXPLORATION
Susana (Susi) Zanello, Ph.D.
Universities Space Research Association (USRA)
NASA Johnson Space Center (JSC)
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140012762 2019-08-31T18:56:19+00:00Z


Micro/partial 
gravity
Extreme 
environment 
stress
Radiation
pO2, PCO2
Extreme temperatures
Isolation, confinement, 
remoteness
http://humanresearchroadmap.nasa.gov/

2. Fluid shift increases 
intracranial pressure (ICP)
3.  Elevated ICP & fluid shift transmitted to the eye
Globe Flattening 
Increased Optic Nerve Sheath 
Diameter
Optic Disc Edema   
(Swelling)
1. Weightlessness‐induced headward fluid shift
Hyperopic Shifts
Up to +1.75 diopters 
Choroidal Folds 
Ridges in back of 
eye
X
Normal Globe Flat Globe
“Cotton wool”
Spots - Altered 
blood flow
Scotoma
Abnormal
visual field
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The Balance System: 
Vestibular 
Ocular Reflex
Neurovestibular/Sensorimotor Perturbations • Space motion sicknes• Spatial disorientation
• Lunar, Mars and post Earth return balance and 
locomotion problems
• Sensorimotor Training Programs
Risk of bone fracture and 
early onset of 
osteoroporosis
• Bone atrophy occurs due to space 
travel. 
• DXA‐measured areal BMD has been 
shown to be
an incomplete indicator of whole bone 
strength. 
• Knowledge regarding changes 
in bone geometry and microarchitecture is 
incomplete. 
• The relative contribution of 
microarchitecture and geometry to 
bone strength is not known but the 
literature indicates that it could be 
substantial. 
• Due to the multiple contributors to 
bone strength, the full impact of 
spaceflight on whole 
bone strength is unknown. 
• The state of bone loading for different 
mission scenarios is unknown
CARDIOVASCULAR
 Risk Of Cardiovascular Disease and Other Degenerative Tissue 
Effects From Radiation Exposure 
 Risk of Cardiac Rhythm Problems 
 Risk of Orthostatic Intolerance During Re‐Exposure to Gravity
EXERCISE PHYSIOLOGY
 Risk of Impaired Performance Due to Reduced Muscle 
Mass, Strength and Endurance:
Reduced mass, strength, and endurance in‐flight
Crew may be unable to perform mission tasks
TECHNOLOGY AREA NEEDS
From NASA Headwquarters Space technology Roadmap
Tech Area 06500436main_TA06‐ID_rev6a_NRC
Key Technologies
Biomedical 
research
Space 
medicine
Genomic 
screening and 
health status
Biomedical 
sensors/scanners
Sterilization/surgical methods
Pharmacokinetics
Drug delivery/packaging
Inflight sample 
analysis
iPSC‐ In situ drug delivery
Cell/tissue/animal models
Integrated 
Biomedical 
informatics
Sensorimotor and exercise 
countermeasures 
equipment
Non‐invasive ICP
Non‐invasive renal stone treatment
Non‐exercise countermeasures 
including artificial gravity
Disease and therapeutic 
monitoring
Autonomous medical decision, simulation 
and training
Increase knowledge
Close gaps
Operations
Occupational health
Mission success
Human Health and Countermeasures 
Focuses on understanding, characterizing, and
counteracting the body's adaptation to
microgravity, enabling healthy astronauts to
accomplish mission objectives and return to normal
life following a mission.
Autonomous Medical Care:
The capability to provide medical care during a
mission with little or no real‐time support from
Earth. 
Clinical capabilities (space medicine)
Behavioral Health and Performance (BHP):
Focuses on maintaining the psychosocial and
psycho‐physiological functions of the crew
throughout space flight missions and providing an
optimal set of countermeasures.
Advanced Human Support Technologies (AHST):
Focuses on developing efficient, reliable and
autonomous technologies and systems to support
human habitation in spacecraft and planetary
dwellings. 
Crosscutting areas Discipline Teams
Bone Loss
Cardiovascular Alterations
Environmental Health
Immunology & Infection
Skeletal Muscle Alterations
Sensory‐Motor Adaptation
Nutrition
VIIP
Behavioral Health & Performance and Space
Human Factors (Cognitive)
Advanced Environmental Monitoring & Control
Advanced Extravehicular Activity
Advanced Food Technology
Advanced Life Support
Space Human Factors Engineering
IT infrastructure: 
• bioinformatics and medical 
middleware 
• Autonomous medical systems
• Virtual machines 
EXPLORATION MEDICAL SYSTEMS
Visual and 
ocular tests on 
ISS
Current non‐invasive ICP measurement 
technologies under evaluationIntracranial 
pressure (ICP) 
measurement is 
invasive
SCREENING TECHNOLOGIES
• Currently screening done for physical and 
psychological conditions
• Biomarker screening and health status monitoring 
for anticipated medical conditions at all systems 
levels and individual susceptibilities to 
environmental stressors and disease
• Pre‐flight and in‐flight personalized medicine and 
pharmacogenomics for better diagnosis, treatment 
and prognosis
• Based on more sensitive and specific biomarker 
tests originating from medical research/industry 
(pharma and companion diagnostics)
SCREENING/MONITORING TECHNOLOGIES
Qualitative
Quantitative
SNP
mRNA
MicroRNA
Multi‐Modal
New Paradigm For Multi‐
modal Multiplex 
Diagnostics 
Quantitative 
Save Time 
Broad Dynamic Range
Mid/High Multiplex
Breadth of Applications
Infectious Disease
•Pathogen Detection
•Viral Load
Disease, health status, 
screening
•Methylation, SNP, CNV
Non‐Clinical Fields of Use
•Microbial Detection‐Food
PHAMACOKINETICS: time course of drug 
absorption, distribution, metabolism and 
excretion.
PHARMACODYNAMICS: relationship between 
drug concentration at the site of action and the 
resulting effect
DRUG 
DELIVERY
DRUG PACKAGING
• Easy dispensing
• Longer shelf life
PHARMACOLOGY: Concern of Clinically Relevant Unpredicted Effects of 
Medication 
MODELS
Cell culture
Tissue culture
Plant/Animal models
Biosentinels
('biological 
instrument', an 
organism that can 
help us understand 
constraints to a 
certain 
environment.
ISS
Micro‐
satellites
Commercial/
International 
collaborations 
(Russian Bion)
Animal Enclosure Module (AEM)
Biomass production system (Orbitec)
Cell culture system 
(Wyle)
Microorganism 
culture (BioServe)
Human body on a chip Bioreactor
Examples of ISS Implementation Partners

under 
controlled conditions
NASA Bed Rest 
Facility, 
Galveston TX
DLR Institute of Aerospace Medicine
:enhivab, Cologne, Germany

PARABOLIC FLIGHTS
https://flightopportunities.nasa.gov/about/program/
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Human Health Risks in Space Exploration: Bridging Knowledge Gaps with Technology

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