Ärzte Zeitung online, 23.02.2019

Forschung im freien Fall

Diese Aspekte schinden den Körper von Astronauten

Die medizinische Forschung auf der ISS liefert wichtige Erkenntnisse über die Physiologie des Menschen. Gleichzeitig ist eine Mission Schwerstarbeit für den menschlichen Organismus. Doch was passiert mit dem Körper eigentlich genau – und wozu das Ganze?

Von Thomas Meißner

Diese Aspekte schinden den Körper von Astronauten

Körper in Auflösung: Bis zu 1,5 Prozent an Knochenmasse verlieren Astronauten pro Monat.

© Vadimsadovski / stock.adobe.com

Die Internationale Raumstation ISS ist die komplexeste Maschine, die der Mensch bislang erschaffen hat, ein Kooperationsprojekt der USA, Russlands, Japans und Kanadas sowie von elf Mitgliedsstaaten der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Sie ist eine einzigartige Forschungsplattform im erdnahen Weltraum mit Bedingungen, wie sie nirgends auf der Erde simuliert werden können.

Ein Ziel der Forschungsprojekte, die zum Beispiel aus der Technologie, der Materialwissenschaft, Astrophysik, Biologie oder Medizin kommen, ist die Verbesserung des Lebens auf der Erde. Knapp ein Fünftel der ESA-Experimente an Bord der ISS sind Medizinforschung. Auch die anderen Partneragenturen investieren in dieses Feld. Dabei geht es um ein weiteres Ziel: die Verwirklichung bemannter Missionen in die Tiefen unseres Sonnensystems.

Gleichung ohne Schwerkraft

Doch was in Spielfilmen bereits vor Jahrzehnten Wirklichkeit geworden ist, entpuppt sich bei Betrachten der Ergebnisse humanphysiologischer Experimente auf der ISS als ein mit vielen Problemen behaftetes Projekt. Man lerne viel über die Physiologie des Menschen, wenn man die Bedingungen auf der Erde „aus der Gleichung nimmt“, wie es der Physiker, Mathematiker und Mediziner Guillaume Weerts, Leiter der Raumfahrtmedizin am Europäischen Astronautenzentrum in Köln, im Gespräch mit der „Ärzte Zeitung“ ausdrückt.

Eine dieser Bedingungen, für alle Lebewesen auf dem blauen Planeten selbstverständlich, ist auf der ISS „abgeschaltet“, so Weerts: die Schwerkraft.

„Die Station fliegt so schnell, dass sich alles darin wie im permanenten freien Fall befindet“, erklärt er. Mit etwa 28.000 km pro Stunde umkreist die ISS die Erde. Ganz abgeschaltet ist die Schwerkraft dabei noch nicht: In etwa 400 km Höhe über der Erdoberfläche gibt es noch Mikrogravitation.

Die zweite wichtige Bedingung ist die kosmische Strahlung, vor der uns das Erdmagnetfeld schützt. Auf der ISS ist dieser Schutz größtenteils noch gegeben. Schon bei einer Reise zum Mond entfällt er – ganz zu schweigen von monatelangen Reisen zum Mars.

Die Schwerelosigkeit sorgt dafür, dass der menschliche Organismus wie im Zeitraffer altert: Kardiovaskulär sind die Astronauten weniger leistungsfähig als auf der Erde, was unter anderem an der veränderten Verteilung von Blut und Körperflüssigkeiten liegt.

Auch langfristig scheint es zu Veränderungen des Herzkreislaufsystems zu kommen: Einige Raumfahrer sind in vergleichsweise jungen Jahren an kardiovaskulären Krankheiten gestorben, etwa der Apollo-Astronaut Ronald Evans im Alter von 56 Jahren oder James Irwin, Pilot der Mondlandefähre der Appollo-15-Mission, mit 61 Jahren.

Von sieben Besuchern auf dem Mond starben drei an Herzkreislauf-Krankheiten. Hanns-Christian Gunga vom Zentrum für Weltraummedizin an der Berliner Charité hält eine chronische Gefäßentzündung als Folge von Raumflügen für möglich.

Rapider Knochenverlust

Wegen der fehlenden körperlichen Belastungen werden Muskulatur und Knochensubstanz rasch abgebaut. „Bis zu 1,5 Prozent der Knochenmasse verlieren Astronauten pro Monat“, erklärt Dr. Thu Jennifer Ngo-Anh, Leiterin des Human Research Programme der ESA in Noordwjik bei Amsterdam. „Das ist soviel wie bei einer postmenopausalen Frau in einem Jahr“, so Ngo-Anh zur „Ärzte Zeitung“.

Was, wenn Astronauten nach monatelanger Reise zum Mars rein körperlich nicht mehr in der Lage wären, ihre Aufgaben zu erfüllen? Und was, wenn sie stark geschwächt zurückkehren auf die Erde? Schon jetzt leiden viele Astronauten nach mehrmonatigen Missionen unter Rückenschmerzen, die auf die verminderte Muskelkraft zurückgeführt werden.

Auch neurophysiologisch finden während der Langzeitaufenthalte auf der ISS Veränderungen statt, wie jüngste Forschungen ergeben haben. Veränderungen, die zentrale anatomische Strukturen des Gehirns erfassen: EEGs zeigen veränderte Aktivitätsmuster, die motorische Koordination ist beeinträchtigt, die Konnektivität vieler Hirnzentren ist gestört, das Volumen an grauer Substanz des Großhirns nimmt ab, Ventrikel sind vergrößert und auch die weiße Substanz weist Veränderungen auf.

Inwiefern sich dies langfristig auf neurologisch-periphere Funktionen oder auf das Denkvermögen auswirkt, ist unbekannt. Auch Geschmacks- und Geruchssinn verändern sich im Weltall.

Das wiederum hat Einfluss auf die Ernährung. Welche Energiezufuhr die Astronauten über lange Zeit benötigen, bedarf ebenfalls noch der Erforschung. Eine zu starke Kochsalzzufuhr scheint die Knochenresorption zu erhöhen – eine auch für Nicht-Raumfahrer wichtige Erkenntnis.

Dass Forschungsergebnisse aus dem All Aufschluss geben können über physiologische Zusammenhänge des menschlichen Organismus, belegt auch das Beispiel Raumkrankheit. Viele Astronauten leiden, sobald sie die ISS erreicht haben, unter tagelanger Übelkeit.

„Die Kinetose bleibt ein signifikantes und unvorhersehbares Problem der Raumfahrt“, berichten der Neurowissenschaftler Millard Reschke vom NASA Johnson Space Center in Houston/Texas und Kollegen (Aerosp Med Hum Perform 2018; 89:749-53).

Diese trete bei Kopfbewegungen, Tragen einer Brille oder beim Bewegen durch die Raumstation auf. Nach Rückkehr zur Erde benötigt das Gleichgewichtssystem bis zu zehn Tage, um sich wieder an die Schwerkraft anzupassen.

Kein Gefühl für das Gleichgewicht

Studien weisen darauf hin, dass die Otolithenfunktion in der Schwerelosigkeit deutlich verändert ist, und zwar rechts und links in unterschiedlichem Ausmaß. Gelernt hat man daraus, dass jeder Mensch ein dominantes Gleichgewichtslabyrinth besitzt – vergleichbar der Händigkeit.

Alles deute weniger auf eine Otolithen-Asymmetrie mit physikalischen Massenunterschieden hin als auf Unterschiede in neuronalen Prozessen in den peripheren Organen sowie im zentralen Nervensystem, heißt es in einem Bericht des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt.

Weitere physiologische Veränderungen im Weltall betreffen zum Beispiel die Wärmeregulation des Körpers mit nach körperlichen Belastungen längerfristig erhöhten Körperkerntemperaturen, die Haut zeigt Veränderungen, die dem natürlichen Alterungsprozess auf der Erde über Jahrzehnte ähneln und das Immunsystem gerät aus dem Gleichgewicht.

Kein Weg vorbei an Mars und Mond

Ein K.O.-Kriterium für die humane Exploration unseres Sonnensystems ist die kosmische Strahlung. „Langfristig stellt die Strahlung aus dem Weltall sicherlich das größte Problem für die Gesundheit von Astronauten dar“, sagt Ngo-Anh. Bei interplanetaren Expeditionen würde der Körper mit erheblichen Dosen kosmischer Strahlung konfrontiert.

Ist man auf der Erde Strahlendosen von etwa 3 mSv pro Jahr ausgesetzt, sind es bei einer sechsmonatigen Mission auf der ISS etwa 100 mSv. Für eine Marsmission wird laut Ngo-Anh allein für den Hin- und Rückflug mit etwa 600 mSv gerechnet – die Erkundungszeit vor Ort nicht eingerechnet.

Die Gefährdungsschwelle für ein deutlich erhöhtes Krebsrisiko wird bei etwa 1000 mSv gesehen. Abgesehen von einem Modell für Krebsrisiken sind weitere biologische Effekte kaum bekannt. Weerts: „Dieses Kapitel muss noch geschrieben werden. Leider ist die Simulation biologischer Effekte kosmischer Strahlung schwer zu realisieren, da es auf der Erde keine entsprechenden Strahlenquellen gibt.“

Die psychologischen Belastungen des monatelangen Eingesperrtseins, des Zusammenlebens mit wenigen Menschen auf engem Raum bei permanenter Geräuschbelastung der ISS sowie Schlafstörungen bei häufigen Licht-Dunkel-Wechseln seien an dieser Stelle nur am Rande erwähnt.

Für all diese nur beispielhaft beschriebenen Probleme wollen Wissenschaftler Gegenmaßnahmen zum Schutz der Raumfahrer auf Missionen in die Tiefen des Weltalls entwickeln. Dazu laufen viele Forschungsprojekte sowohl auf der ISS als auch auf der Erde.

Ngo-Anh: „Wegen der technologischen Herausforderungen und der ungeklärten Finanzierung wird es ohnehin noch dauern, bis eine Reise zu unseren Nachbarplaneten Realität werden kann.“ In einem ESA-Interview gab sich die Ärztin und Neuroforscherin überzeugt, dass in dieser Zeit die medizinischen Herausforderungen bewältigt werden können. „Es führt kein Weg daran vorbei: Wir werden zum Mond und zum Mars fliegen!“

Lesen Sie dazu auch:
Raumfahrt: Im Tiefschlaf zum Mars

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