Zwilling-Studie der NASA zeigt gesundheitliche Folgen eines Langzeitaufenthalts im All

Mark und Scott Kelly /dpa

New York – Strahlung, Schwerelosigkeit, Lärm, fehlende zirkadiane Rhythmen und räumliche Enge. Eine Reise zum Mars würde für Astronauten viele Unannehmlichkeiten bedeuten. Welche gesundheitlichen Folgen sich daraus ergeben könnten, haben US-Forscher an Zwillingen untersucht, von denen einer ein Jahr auf der internationalen Raumstation (ISS) verbrachte. Die Ergebnisse wurden jetzt in Science (2019; 364: eaau8650) publiziert.

Die Brüder Mark und Scott Kelly sind 55 Jahre alt, eineiige Zwillinge und beide Astronauten bei der NASA. Mark Kelly hat auf 4 Flügen 54 Tage im Weltall verbracht, Scott Kelly verfügt über insgesamt 540 Tage Weltraumerfahrung, darunter war ein 340 Tage langer Aufenthalt auf der ISS.

10 Forscherteams aus verschiedenen US-Universitäten haben die Folgen der fast einjährigen Schwerelosigkeit und vor allem der Strahlung auf den Körper untersucht. Der Vergleich von 2 eineiigen Zwillingen bot die Chance, genetische Einflüsse weitgehend auszublenden.

Die Belastungen bei einem Weltraumflug sind hoch. Die Astronauten befinden sich nicht nur in permanenter Schwerelosigkeit. In der Raumstation ist es auch eng und laut, und vor allem sind die Astronauten einer erheblichen Strahlenbelastung ausgesetzt.

Das Dosimeter des Astronauten zeigte am Ende 76,18 Milligray an, die effektive Dosis betrug 146,34 Millisievert. Das sind 48-mal mehr, als ein Mensch auf der Erde während der gleichen Zeit durchschnittlich ausgesetzt ist. Bei einer Reise zum Mars würde sich die Dosis noch einmal um den Faktor 8 erhöhen. Die wichtigste Folge die Francine Garrett-Bakelman vom Weill College of Medicine in New York und Mitarbeiter fanden, war eine Zunahme von Inversionen und Translokation im Erbgut. Es handelt sich um Verlagerungen von ganzen Chromosomenabschnitten. Sie entstehen, wenn die ionisierende Strahlung die Chromosomen­kette „zerschießt“ und sich einzelne Bruchstücke danach an anderer Stelle wieder in das Chromosom integrieren.

Inversionen und Translokationen können Krebserkrankungen auslösen, wenn sie Promotoren, die die Ablesung von Genen fördern, mit sogenannten Onkogenen verbinden, die durch ihre Aktionen ein unkontrolliertes Wachstum auslösen. Scott Kelly ist nicht an Krebs erkrankt, andere Astronauten könnten jedoch weniger Glück haben. In epidemiologischen Studien lässt sich das Risiko noch nicht untersuchen, da von den 559 Menschen, die bisher im Weltraum waren, nur 8 mehr als 300 Tage dort verbrachten.

Mit dem Ende der Weltraumreise ist das Risiko nicht vorüber. Zum einen entstehen Krebserkrankungen mit einer Latenz von vielen Jahren, zum anderen zeigen die Forschungsergebnisse, dass es auch nach der Rückkehr von der ISS zu mehr Inversionen und Translokationen kam als beim Zwillingsbruder. Die hohe Strahlenexposition in der ISS scheint die Stabilität der Chromosomen nachhaltig gestört zu haben, vermutet Garrett-Bakelman.

Hinzu kamen epigenetische Veränderungen. Die Anlagerung oder Entfernung von Methylgruppen kann bestimmte Gene auf Dauer ab- oder anschalten. Die Forscher fanden einen Anstieg der DNA-Methylierung. Nach vielen Monaten auf der ISS waren 83 % der DNA methyliert gegenüber 79 % bei dem Zwillingsbruder. Die Methylierung muss nicht unbedingt Folge der Strahlenbelastung sein. Viele Veränderungen in der Genaktivierung fanden im Bereich des Immunsystems statt, andere betrafen verschiedene DNA-Reparatur­systeme. Das Immunsystem des Langzeitastronauten könnte, so Garrett-Bakelman, auf die DNA-Schäden reagiert haben.

Kurioserweise fanden die Forscher eine Verlängerung der Telomere. Das sind die End­kappen, die sich bei jeder Zellteilung verkürzen und am Ende keine weiteren Zellteilungen mehr erlauben. Die Verlängerung der Telomere ließe sich als „Verjüngungseffekt“ deuten. Doch nach der Rückkehr nahmen die Telomere schon bald ihre ursprüngliche Länge wieder an und am Ende waren sie sogar kürzer als beim Zwillingsbruder. Eine mögliche Erklärung für die vorübergehende Verlängerung ist das intensive Sportprogramm, das die Astronauten auf der ISS absolvieren, um die Auswirkungen auf den Kreislauf abzuschwächen.

Die Schwerelosigkeit führt bereits nach kurzer Zeit zu einer Umverteilung von etwa 2 Litern Flüssigkeit in Richtung Kopf. Der Durchmesser von Arterien und Venen im oberen Bereich des Körpers steigt an. Die Astronauten berichten über geschwollene Gesichter und Vogelbeine (da die Beine wegen der fehlenden Flüssigkeit schlanker werden).

Die vermehrte Flüssigkeit im Kopf wirkt sich unter anderem ungünstig auf die Augen aus. Eine Verdickung der Aderhaut führt bei etwa 40 % der Astronauten zu Sehstörungen, die als SANS („spaceflight associated neuro-ocular syndrome”) bezeichnet werden und nach der Rückkehr nur teilweise reversibel sind. Das SANS-Risiko steigt mit jeder weiteren Raumfahrt an („multiple hit“).

Eine weitere Folge sind kognitive Störungen, unter denen auch der Langzeitastronaut klagte – allerdings erst nach der Rückkehr auf die Erde. Die Umstellung des Kreislaufs nach der Rückkehr bereitet vielen Astronauten Probleme, so auch dem untersuchten Zwilling, dessen Denken sich nach dem Urteil der Ärzte verlangsamt hatte und der in den kognitiven Tests schlechtere Ergebnisse erzielte (sich später aber wieder erholte). Kognitive Störungen wären für Marsreisende, wenn es beispielsweise Probleme bei der Landung gäbe, die schnelle Reaktionen erfordern, sicherlich nicht hilfreich.

Die Schwerelosigkeit im All führt im Prinzip dazu, dass das Herz weniger leisten muss. Die Gegenregulation scheint jedoch nicht vollständig zu funktionieren. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Pumpleistung des Herzens im All um etwa 10 % ansteigt. Das Herz arbeitet möglicherweise über Bedarf. was erklären könnte, warum es bei dem Langzeitastronauten zu einer Zunahme der Intima-Media-Dicke in der Carotis kam, die allgemein als Hinweis für eine beschleunigte Atherosklerose gedeutet wird. Diese Sorge scheint jedoch unnötig, da die Veränderungen innerhalb von wenigen Tagen nach der Rückkehr reversibel waren.

Ein weiteres ominöses Zeichen war das vermehrte Auftreten von mitochondrialer DNA im Blut. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Kraftwerke der Zellen im All überfordert waren und teilweise zerfielen. Die Laktatwerte, die einen Übergang zur anaeroben Energie­gewinnung anzeigen, waren in den ersten und letzten beiden Wochen auf der ISS erhöht.

Welche Konsequenzen sich aus den Ergebnissen für die Planung einer bemannten Marsmission ergeben, sind unklar. Einige Experten fühlten sich ersten Reaktion in der Annahme bestätigt, dass Menschen die Strapazen einer Marsreise problemlos überstehen würden, die etwa 3 Jahre dauern könnte. Andere warnten vor den gesundheitlichen Risiken. Am Ende dürfte es eher eine politische Entscheidung werden, ob Menschen zum Mars geschickt werden oder nicht. © rme/aerzteblatt.de