Lee, Stuart M. C.

Platts, Steven H.

Ploutz-Snyder, Lori L.

Stenger, Michael B.

NASA Technical Reports Server

Steven H. Platts1, Michael B. Stenger2, 
Lori L. Ploutz‐Snyder3, Stuart M. C. Lee2
1NASA Johnson Space Center, Houston, TX
2Wyle Science, Technology and Engineering Group, Houston, TX
3Universities Space Research Association, Houston, TX 
High Intensity Exercise Countermeasures 
Do Not Prevent Orthostatic Intolerance 
Following Prolonged Bed Rest
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140008722 2019-08-29T13:52:07+00:00Z
Introduction
• Incidence of orthostatic intolerance during 80°
head‐up tilt increases with flight duration
– ~20‐25% Shuttle astronauts
– >60% of Mir and ISS astronauts
– Post‐flight orthostatic intolerance is a multi‐
factorial issue, 
– Contributing factors postulated to include reduced 
plasma volume, cardiac atrophy, altered baroreceptor 
function, impaired or attenuated vasoconstrictor 
responses, and decreased muscle tone.  
Introduction
• Most previous bed rest studies have assessed 
effectiveness of a single countermeasure
– Aerobic exercise
– Resistive exercise
– Orthostatic stress (LBNP, standing)
– Fluid loading
• Few studies have examined an integrated 
countermeasures protocol, particularly one which 
is similar to that which might be used with 
current hardware on ISS
Introduction
• Countermeasure hardware on Mir and early ISS 
missions may have been inadequate to prevent 
significant cardiovascular deconditioning
• More advanced exercise capabilities (T2, ARED) allow 
for higher exercise intensities 
• Could enhanced exercise capabilities be protective 
for ISS astronauts provide additional protection not 
previously achieved?
Objective
To determine whether an intense resistive and 
aerobic exercise countermeasure program 
designed to prevent cardiovascular and 
musculoskeletal deconditioning during 70 d of 
bed rest (BR), a space flight analog, would 
protect against post‐BR orthostatic intolerance.
Methods
• 28 subjects randomly assigned to one of three 
groups:
– Non‐exercise controls (n=10 m, 1 f) 
– Exercise only plus placebo (n=9 m)
– Exercise plus testosterone (n=8 m)
• Exercise groups performed the same exercise 
countermeasures during BR
• Testosterone vs. placebo administered in a placebo in a 
double‐blinded fashion. 
Pre‐Bed Rest
• Control subjects did not perform any pre‐bed rest exercise 
training but participated in the same pre‐bed rest exercise 
testing
• Countermeasure subjects participated in pre‐bed rest exercise 
training with a schedule similar to in‐bed rest 
countermeasures
• No testosterone supplementation was administered before 
bed rest
• Intramuscular placebo or testosterone enanthate injections 
(100 mg/wk) were administered at the beginning of weeks 1, 
2, 5, 6, 9, and 10 of bed rest
Methods
• Bed rest exercises were performed in the horizontal position
• Aerobic sessions used either the supine treadmill (sZLS) or 
supine cycle ergometer  
• Intervals 30 sec, 2 min and 4 min
• Continuous  at 75%
• Resistance sessions consisted of horizontal squat, leg press, 
leg curl, and heel raise
Integration of Aerobic and Resistance Training 
Day 1 Day 2 Day 3 Day 4 Day 5 Day 6 Day 7
Resistance
35 ‐ 60 
min
35 ‐ 60 
min
35 ‐ 60 
min
Aerobic ‐
Interval 32 min 15 min 35 min
Aerobic ‐
Continuous 30 min 30 min 30 min
Methods
Results
• Plasma volume (absolute or relative to body 
mass index) decreased (p<0.001) from pre to 
post‐BR, with no differences between groups.
Control
BR-2 BR+0
P
l
a
s
m
a
 
V
o
l
u
m
e
 
(
L
)
1
2
3
4
5
Exercise+Testosterone
BR-2 BR+0
1
2
3
4
5
Exercise
BR-2 BR+0
1
2
3
4
5
Results
• BR‐2: Only 2 presyncopal subjects during tilt (Exercise Only: 2 
and 13 min)
• BR70: 7 of 11 (63%) Control, 6 of 9 (67%) Exercise Only, and 4 
of 8 (50%) Exercise+Testosterone subjects became 
presyncopal
Control
BR-2 BR70
T
i
l
t
 
T
o
l
e
r
a
n
c
e
 
T
i
m
e
 
(
m
i
n
)
2
4
6
8
10
12
14
16
Exercise
BR-2 BR70
Exercise + Testosterone
BR-2 BR70
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Results
No significant 
difference in survival 
time between 
groups on BR70 
(p=0.55) 
Time (min)
0 3 6 9 12 15
S
u
r
v
i
v
a
l
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Control
Exercise + Testosterone
Exercise
Results
Control
BR-2 BR70
C
h
a
n
g
e
 
i
n
 
H
e
a
r
t
 
R
a
t
e
 
(
t
i
l
t
-
s
u
p
i
n
e
,
 
b
p
m
)
0
20
40
60
80
Exercise+Testosterone
BR-2 BR70
0
20
40
60
80
Exercise
BR-2 BR70
0
20
40
60
80
* *
*
#
• Change in heart rate from supine to standing was greater after 
bed rest in all three groups
• Heart rate response to tilt was larger in the Control group 
than in the Exercise+Testosterone group
Discussion
• Not without precedence that exercise alone did not 
protect against orthostatic intolerance
– Schneider, 2002 (15‐d BR): Exercise within LBNP
– Shibata, 2010; Hastings, 2012 (18‐d BR): cycle or rowing 
exercise
– Greenleaf, 1989 (30‐d BR): isokinetic resistive or supine 
cycle exercise
– Belin de Chantemele, 2004 (90‐d BR): Resistive exercise
Discussion
• Exercise plus orthostatic challenge or fluid loading 
attenuates or protects loss in tolerance
– Watenpaugh, 1995 (5‐d BR); Watenpaugh, 2007 (30‐d BR); 
Guinet, 2009 (60‐d BR): Exercise within LBNP with post‐
exercise LBNP challenge
– Waters, 2005 (12‐d BR): water and salt tablet fluid load
– Shibata, 2010; Hastings, 2012 (18‐d BR): Cycle or rowing 
exercise plus dextran to normalize filling pressures
– Stenger, 2012 (21‐d BR): Artificial gravity
Limitations
• Control group did not perform pre‐BR 
exercise. 
• PV not measured on day after tilt
• Exercise countermeasures (continuous aerobic 
and resistive) day before BR‐2 tilt
• Exercise countermeasures not performed in 
the same schedule for all subjects relative to 
tilt test on BR70
Conclusions
• Performance of a vigorous exercise 
countermeasure protocol during BR, even 
with testosterone supplementation, does not 
protect against orthostatic intolerance or 
plasma volume loss. 
• Preventing post‐BR orthostatic intolerance 
may require additional countermeasures, such 
as orthostatic stress during BR or end‐of‐BR 
fluid infusion.
Acknowledgments
• JSC Cardiovascular Laboratory: Acquisition of 
orthostatic tolerance and plasma volume data
• JSC Exercise Physiology Laboratory: Prescription, 
implementation, and monitoring of exercise 
countermeasures 
• E. Lichar Dillon, PhD, William J Durham, PhD, Melinda 
Sheffield‐Moore, PhD, Randall J Urban, MD (UTMB): 
Testosterone supplementation protocol
• NASA Flight Analogs Project: Administration of the 
bed rest project


High Intensity Exercise Countermeasures do not Prevent Orthostatic Intolerance following Prolonged Bed Rest

Abstract

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