ArchivDeutsches Ärzteblatt23/2018Weltraummedizin: Medizinische Herausforderungen von Missionen ins All

THEMEN DER ZEIT

Weltraummedizin: Medizinische Herausforderungen von Missionen ins All

Dtsch Arztebl 2018; 115(23): A-1118 / B-940 / C-936

Ganse, Bergita

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Die Weltraummedizin ist ein interdisziplinäres Fachgebiet. Ihre Erkenntnisse nützen nicht nur auf Weltraummissionen sondern auch in der medizinischen Versorgung auf der Erde.

Foto: NASA
Foto: NASA

Mehr als eine Million Follower bei Twitter – der deutsche Geophysiker und Astronaut Alexander Gerst hat sich mit seinen Kurznachrichten und Bildern von der Internationalen Raumstation ISS 2014 eine große Fangemeinde aufgebaut. Am 6. Juni ist er zu seinem zweiten Langzeitaufenthalt auf der ISS gestartet. Die Faszination vom Weltraum ist ungebrochen. Weniger bekannt dürfte den meisten sein, welche Auswirkungen die Schwerelosigkeit auf den Körper der Astronauten hat und wie sie diesen durch Training auf der Raumstation entgegenwirken.

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Von Veränderungen aufgrund des Aufenthaltes in der sogenannten Mikrogravitation sind fast alle Organsysteme betroffen. Besonders relevant sind die Anpassungsvorgänge des kardiovaskulären und muskuloskelettalen Systems. So scheiden Raumfahrer während der ersten Stunden in Schwerelosigkeit bis zu 1,5 Liter Urin aus, das Blutvolumen verringert sich und der Hämatokrit steigt. Es kommt zu einer Umverteilung der Flüssigkeit aus den Beinen in den Oberkörper, dem sogenannten „Fluid-shift“. Die Barorezeptoren werden aktiviert und Wasser ausgeschieden. Zudem bekommen die Raumfahrer ein aufgedunsenes Gesicht („Puffy f ace“) und schlanke Beine („Bird legs“).

Fünf Zentimeter länger

Bei veränderten Druckverhältnissen (zum Beispiel fällt der zentrale Venendruck auf Null) und aufgrund einer verminderten Nachlast kommt es zu kardialer Atrophie. Die Knochen und Muskeln passen sich an die verminderte Belastung an, indem Kalksalze abgebaut und ausgeschieden werden und Muskelmasse und -kraft sinken. Die Bandscheiben dehnen sich aus, der Körper wird im Durchschnitt fünf Zentimenter länger und bei vielen Raumfahrern setzen Rückenschmerzen ein – sogenannte Space Adaptation Back Pain.

Diese Anpassungen des menschlichen Körpers schon bei relativ kurzen Aufenthalten im Erdorbit bringen aus ärztlicher Sicht bereits verschiedene Probleme mit sich. Schwieriger noch werden längere bemannte Flüge ins All sein. Bisher haben Menschen keinen anderen Planeten besucht oder waren längere Zeit außer Reichweite der Erde. Pläne für einen Flug zum Mars gibt es aber bereits seit Langem und Forschungsergebnisse von der ISS und aus europäischer Sicht insbesondere aus dem Weltraumlabor Columbus sollten unter anderem dazu beitragen, solche längeren Missionen vorzubereiten. Die Reise zum Mars würde etwa zwei Jahre dauern und in einem kleinen Raumschiff mit limitierten Ressourcen stattfinden – logistisch eine Herausforderung und medizinisch völliges Neuland. Eine wesentliche Unbekannte bei Langzeitmissionen ist die Strahlung. Das Magnetfeld der Erde schützt die Raumstationen in der Erdumlaufbahn vor der kosmischen Strahlung und teilweise vor der Strahlung bei Sonneneruptionen. Zwar wurden die Strahlendosen außerhalb des Erdorbits schon gemessen, der Einfluss dieser Strahlung auf den menschlichen Körper ist aber noch weitestgehend unbekannt.

Eine weitere Schwierigkeit auf einer mehrjährigen Marsmission könnten auch die begrenzten Therapiemöglichkeiten im Falle einer Verletzung oder Erkrankung sein. In dem kleinen Raumschiff wird man nur sehr wenig Material mitnehmen können. Hinzu kommt, dass die Strahlung die Proteinstrukturen der Medikamente zerstört und man gegen Ende des Fluges ein Vielfaches der Dosis benötigt. Auch fehlt es an Erfahrungen mit chirurgischen Eingriffen im All.

Das Columbus- Modul ist das europäische Forschungslabor auf der ISS (oben); die Auswirkungen der Schwerelosigkeit werden im Rahmen von Bettruhestudien (unten) untersucht, beispielsweise beim DLR. Foto: DLR
Das Columbus- Modul ist das europäische Forschungslabor auf der ISS (oben); die Auswirkungen der Schwerelosigkeit werden im Rahmen von Bettruhestudien (unten) untersucht, beispielsweise beim DLR. Foto: DLR

Entwicklung kleiner Geräte

Damit auf Langzeitmissionen medizinisch alles gut geht, werden neue Konzepte und Technologien entwickelt, die wiederum in vielen Bereichen auf der Erde eingesetzt werden können. Insbesondere die US-amerikanische Nationale Aeronautik- und Raumfahrtbehörde (NASA) investiert derzeit umfangreich in besonders kleine medizinische Geräte zur Diagnostik und Therapie. Ziel ist es, handliche und leichte Geräte für Ultraschall, EKG, Überwachung, Erste Hilfe und Interventionen wie Lithotripsie zur Verfügung zu haben. Das Geld ist gut investiert, denn mobile und handliche Medizinprodukte haben auch in der klinischen Medizin großen Wert – nicht nur in der Notfall- und Expeditionsmedizin, sondern auch wenn man an die Allgemeinmedizin auf dem Land und die Ausstattung von Praxen denkt.

Ein wesentlicher Teil der weltraummedizinischen Forschung findet nach wie vor auf der Erde statt. Denn die Zahl der Weltraumfahrer, an denen Versuche durchgeführt werden können, ist verhältnismäßig klein und der Zeitrahmen begrenzt. Zudem müssen sich die Forschungsschwerpunkte an die Gegebenheiten in der Raumstation anpassen – ein MRT wird man in absehbarer Zeit nicht ins All befördern können und auch invasive Untersuchungen wie Muskelbiopsien sind während des Fluges nicht erlaubt. Ein weiterer Punkt: Da nur wenige Frauen für Raumfahrtmissionen ausgewählt werden, hat man als Forscher kaum eine Chance, ein Experiment an mehreren Astronautinnen durchzuführen.

Darum werden für die Forschung auf der Erde Szenarien herangezogen, die die Umgebung im All simulieren – beispielsweise bei Parabelflügen oder im Rahmen von Isolationsstudien und Bettruhestudien. Patienten in der klinischen Medizin aber auch Menschen im höheren Alter müssen oft längere Zeit im Liegen verbringen. Die Forschungsergebnisse, die in Bettruhestudien gewonnen werden, kann man direkt auf diese Patienten übertragen und Gegenmaßnahmen aus der Raumfahrt aufgreifen, um sie beispielsweise bei Osteoporosepatienten und in der Rehabilitation einzusetzen. Krafttraining, wie es Gerst auf der ISS täglich durchführen muss, ist ein Beispiel für eine solche Maßnahme.

Im kommenden Jahr führen die Europäische Weltraumorganisation ESA und die NASA zusammen eine große Bettruhestudie durch, bei der 24 gesunde Probanden für 60 Tage mit Sechs-Grad-Kopftieflage einen Raumflug simulieren. Diese Körperposition imitiert recht genau die Effekte der Schwerelosigkeit in Bezug auf das Herz-Kreislauf- und das muskuloskelettale System.

Bettruhe für die Wissenschaft

Während der 60-tägigen Bettruhephase dürfen die Probanden im Forschungszentrum „Envihab“ beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln zu keinem Zeitpunkt aufstehen. Eine Schulter muss jederzeit die Matratze berühren. Geduscht wird auf einer Duschliege und der Toilettengang funktioniert wie im Krankenhaus. Auch die Ernährung wird zu 100 Prozent kontrolliert, um möglichst kleine Veränderungen messen zu können. Als Gegenmaßnahme zur Schwerelosigkeit wird in der Studie der Einsatz einer Kurzarm-Humanzentrifuge getestet, in der der Kopf des Probanden beinahe am Drehzentrum liegt. Die Überlegung ist, so auf Langzeitmissionen künstliche Schwerkraft zu schaffen, um den negativen Effekten der Schwerelosigkeit entgegenzuwirken.

Muskelschwund und Gebrechlichkeit stehen in der Raumfahrt im Fokus, sind aber auch wesentliche Themen des alternden Patienten. So ist in der Weltraummedizin besonders bei den Untersuchungen zum muskuloskelettalen System der Bezug zur Alltagsmedizin vorhanden. In der kommenden Bettruhestudie von ESA und NASA ist daher auch eine der Hauptfragestellungen, wie Immobilisation die neuromuskuläre Überleitung verändert und damit zum Muskelabbau beiträgt. Langzeitimmobilisation ist zu vermeiden und Mobilität sowie Aktivität zu fördern – auf der Erde wie auch im Weltraum. Dr. med. Bergita Ganse

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