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THEMEN DER ZEIT

Weltraummedizin: Abheben und Schweben für die Grundlagenforschung

Dtsch Arztebl 2013; 110(35-36): A-1626 / B-1433 / C-1417

Hahne, Dorothee

Schwerelose Ärzte: Paula Beck und Ulrich Limper von der Universität Witten/Herdecke beim Parabelflug. Fotos: DLR

Studien in der Schwerelosigkeit verraten viel über die Physiologie des Menschen. Davon profitieren nicht nur Astronauten und Weltraumtouristen, sondern auch die Menschen auf der Erde.

Kennen Sie das Gefühl auf der Achterbahn, wenn sie über die Kuppe beschleunigt und dann steil nach unten rauscht? So kann man sich einen Parabelflug vorstellen – nur mit dem Unterschied, dass das Fallgefühl anhält.“ Der Mediziner Ulrich Limper ist schon bei vielen Parabelflügen mitgeflogen, allerdings nicht zum Vergnügen, sondern zu Forschungszwecken. Er gehört zum Ärzteteam der Universität Witten/Herdecke (UWH), die in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) untersucht, wie das menschliche Herz-Kreislauf-System unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen reagiert.

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Parabelflüge bieten dazu beste Voraussetzungen. Der Pilot fliegt zunächst horizontal und steigt dann mit voller Schubkraft steil in den Himmel. Dabei herrscht fast die doppelte Schwerkraft wie auf der Erde. In der zweiten Phase werden die Triebwerke gedrosselt. Das Flugzeug steigt zunächst weiter, bevor es in den freien Fall übergeht. Dabei beschreibt es eine parabelförmige Kurve, in der für 22 Sekunden Schwerelosigkeit herrscht. In der dritten Phase fällt das Flugzeug mit der Nase voraus in Richtung Erde, bis der Pilot es abfängt und in die Horizontale zurücklenkt. Auch hier verdoppelt sich die Schwerkraft. Neben Schwerelosigkeit und Hypergravitation können in dem speziell ausgerüsteten Parabelflug-Airbus A300-ZERO-G durch ähnliche Flugmanöver die Gravitationskräfte von Mond oder Mars erzeugt werden. Auf dem Mond herrscht ein Sechstel, auf dem Mars ein Drittel der Erdschwerkraft.

Bei diesen partial-g-Flügen führten die Wittener Forscher bei insgesamt 14 Probanden Messungen zur Orthostase durch. „Uns hat interessiert, wie sich Blutdruck, Herzschlag und Herzschlagvolumen verhalten, wenn der Mensch unter verschiedenen Schwerkraftgraden aus der liegenden Position aufsteht“, erklärt die Ärztin und Projektbetreuerin Paula Beck. Was beim Aufstehen auf der Erde passiert, ist bekannt: Die Schwerkraft zieht das Blut von der oberen Körperhälfte in den Bauchraum und die Beine. Infolgedessen nimmt der Blutrückfluss zum Herzen ab, das Schlagvolumen wird kleiner und der Blutdruck sinkt. Daraufhin greifen Kompensationsmechanismen. Der Blutdruckabfall aktiviert den Sympathikus, die Gefäße kontrahieren, die Herzfrequenz steigt ebenso wie der Blutdruck.

„Über die Orthostasereaktion unter veränderten Schwerkraftbedingungen weiß man dagegen wenig“, sagt Limper. Deshalb versahen die Ärzte die Probanden mit Elektroden sowie einem speziellen Blutdruckmessgerät am Finger und ließen sie während der Parabelflüge unter Mars- und Mondschwerkraft sowie unter Hypergravitation wiederholt von einer Liege aufstehen. Für die Messungen standen nur wenige Sekunden zur Verfügung: 26 Sekunden in Mond-, 31 Sekunden in Marsschwerkraft und 18 Sekunden in Hypergravitation.

Der Blutdruck sinkt, wenn sich die Schwerkraft erhöht

„Unter allen Schwerkraftgraden fanden Anpassungsreaktionen statt“, fasst Beck die Ergebnisse zusammen. Will heißen, es kam initial zu einem Blutdruckabfall, der anschließend durch die Steigerung der Herzfrequenz kompensiert wurde. Allerdings sank der Blutdruck nicht linear zur Erhöhung der Schwerkraft. Erwartungsgemäß sank er bei Hypergravitation besonders stark, erholte sich aber auch schnell. Bei Marsschwerkraft fiel der Blutdruck weniger stark als erwartet ab, und es dauerte länger, bis er wieder ein stabiles Niveau erreichte. Auch bei Mondschwerkraft brauchte es Zeit, bis der Blutdruck wieder anzog. Die Forscher waren überrascht, dass unter Mondbedingungen überhaupt eine Orthostasereaktion auftrat. „Bei dem bisschen Schwerkraft war es unklar, ob der Körper Gegenmaßnahmen ergreifen würde“, erklärt Beck.

Nach den Aufstehversuchen stand bei den jüngsten Parabelflügen im April dieses Jahres die Herzkraft in der Schwerelosigkeit im Fokus. Dabei haben die Wissenschaftler der UWH zusammen mit Wissenschaftlern der Medizinischen Hochschule Hannover Beschleunigungssensoren auf der Haut des deutschen Astronauten Hans Schlegel befestigt und gemessen, wie der schwebende Körper durch den Herzschlag hin und her bewegt wird. Die Ärzte interessierte vor allem, wie lange das Herz in der Schwerelosigkeit braucht, um welches Volumen zu pumpen, und welche Kraft es dafür benötigt.

Schwerelosigkeit ist wie Bettlägerigkeit im Zeitraffer

Ziel der Parabelflugstudien ist es zum einen, mögliche Gefahren und Sicherheitsrisiken für Astronauten und Weltraumtouristen im Vorfeld einschätzen zu können. Halten sich Astronauten bei künftigen Missionen beispielsweise längere Zeit auf dem Mars auf und erkunden das Gelände, könnten sie ohne Orthostasereaktion weit entfernt von der Basis ohnmächtig werden, weil das Blut langsam versackt und das Gehirn nicht ausreichend durchblutet wird. Des Weiteren sind die Experimente auch für die klinische Forschung auf der Erde relevant: „In der Schwerelosigkeit laufen im Zeitraffer ähnliche Prozesse ab wie bei Bettlägerigen. Unsere Ergebnisse helfen, die Kreislaufreaktionen dieser Patienten besser zu verstehen“, erläutert Limper.

Vor allem aber bringen Weltraumstudien die Grundlagenforschung voran. „Die Schwerelosigkeit ist eine hervorragende Möglichkeit zu überprüfen, ob physiologische Hypothesen stimmen“, sagt Prof. Dr. med. Rupert Gerzer, Leiter des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin am DLR. Dass dabei Überraschendes ans Licht kommen kann, zeigt das Beispiel Salzhaushalt. Dessen Regulierung funktioniert nämlich zum Teil anders als jahrzehntelang angenommen. Ausgangspunkt war die Beobachtung, dass Astronauten nach längeren Aufenthalten im Weltraum in den ersten Tagen auf der Erde orthostatisch instabil sind und nur eingeschränkt aufrecht stehen und gehen können. Die Ursache für dieses Phänomen wurde in den weltraum-typischen Flüssigkeitsverschiebungen vermutet: Der Kreislauf pumpt das Blut auch in der Schwerelosigkeit in Richtung Herz. Dabei fließen bis zu 2 000 ml Flüssigkeit aus der unteren in die obere Körperhälfte. Die Folgen dieser oberen Einflussstauung sind ein aufgedunsenes Gesicht und dünne Beine. „Man spricht auch von puffy face und chicken legs“, erklärt Limper.

Gleichzeitig schwellen die Schleimhäute inklusive der Ges

Im Parabelflug geht der Schwerelosigkeit eine Phase erhöhter Schwerkraft voran und in diese taucht das Flugzeug im Sinkflug wieder ein.
chmackspapillen an. Die Auswirkungen sind ähnlich wie bei einer Erkältung: Geruchs- und Geschmackssinn lassen nach, das Essen schmeckt fade. Aus diesem Grund bevorzugen Astronauten salzreiche Kost.

Bislang ging man davon aus, dass der Körper bei einer hohen Salzzufuhr Wasser im Gewebe einlagert, um die Osmolarität zu gewährleisten. Zudem war sich die Fachwelt sicher, dass das aufgenommene Salz binnen 24 Stunden über die Nieren ausgeschieden wird, um die Natriumkonzentration im Körper konstant zu halten und den Blutdruck zu kontrollieren. Bei nachfolgenden Salzstudien auf der Erde kamen die Wissenschaftler anderen Mechanismen auf die Spur: Der Körper speichert das im Salz enthaltene Natrium nicht nur über bislang bekannte Mechanismen, sondern auch in der Haut. Anders als im Blut liegt es dort nicht gelöst vor, sondern ist an Proteoglykane gebunden. Die Bindung von Natrium an diese komplexen Proteine erfolgt im Tausch gegen Wasserstoffionen. Dabei verliert das Natrium seine osmotische Wirksamkeit – und hält kein Wasser mehr zurück.

Inzwischen beschäftigt das Thema Salzhaushalt die Hochdruckforschung. „Aus dem Schneeball, den die Raumfahrt geworfen hat, ist eine Lawine geworden“, sagt Gerzer. Spannende Erkenntnisse brachte die bislang längste Studie zum Natriumstoffwechsel, die Mars-500-Studie*. Dabei verordnete Jens Titze, Professor für Elektrolyt- und Kreislaufforschung an der Universität Erlangen-Nürnberg, sechs Probanden während eines virtuellen Fluges zum Mars 205 Tage lang einen strikten Diätplan mit definiertem Salzgehalt. Zu Beginn enthielt die Nahrung zwölf Gramm Salz, dann wurde ihr Salzgehalt zunächst auf neun, später auf sechs Gramm pro Tag reduziert. Die Wissenschaftler sammelten jeden Tag den Urin der Probanden und analysierten den Salzgehalt sowie die Hormone Aldosteron und Cortisol.

Speichern und Freisetzen von Salz hat eigenen Rhythmus

Das Ergebnis: Das aufgenommene Salz wird keineswegs innerhalb von 24 Stunden ausgeschieden. Der Körper lagert es rhythmisch über Wochen und Monate ein und gibt es dann wieder frei. „Das bedeutet, dass die 24-Stunden-Salzbilanzen weniger aussagekräftig sind als bislang angenommen, um den Salzkonsum eines Menschen einzuschätzen“, resümiert Gerzer. Der Rhythmus der Salzspeicherung und -freigabe erfolgt unabhängig von der Nahrungszufuhr und hat keinen Einfluss auf den Blutdruck. Aldosteron und Cortisol scheinen bei der Regulation dagegen eine wichtige Rolle zu spielen.

Auch wenn sich einige Mechanismen in Bezug auf den Salzhaushalt als falsch herausgestellt haben, eine Annahme hat sich doch bestätigt: Eine geringe Salzaufnahme mit der Nahrung senkt den Blutdruck und eine hohe Aufnahme erhöht ihn.

Dipl.-Oecotroph. Dorothee Hahne

*Rakova N, et al.: Long-Term Space Flight Simulation Reveals Infradian Rhythmicity in Human Na+ Balance, Cell Metabolism 2013; 17: 125–31.


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