Erkrankungen, die bei der Raumfahrt im Fokus stehen, sind zugleich auch wesentliche Themen des alternden Patienten. Besonders bei weltraummedizinischen Untersuchungen zum muskuloskelettalen System ist der Bezug zur Alltagsmedizin vorhanden.
Von G-Masern, der Weltraumkrankheit, dem SANS-Syndrom oder Space Adaptation Back Pain haben viele Ärzte noch nie etwas gehört. Medizinstudierende an der RWTH Aachen kennen diese Begriffe – wenn sie die Weltraummedizinvorlesung besucht haben. Zu ihnen gehört der 23-jährige Christian, der im 9. Semester Humanmedizin an der RWTH Aachen studiert. Er war von der Weltraummedizin so begeistert, dass er sich zusätzlich noch für einen viertägigen Workshop im Europäischen Astronautenzentrum angemeldet hat.
Christian ist jedoch nicht der Einzige, der von der Weltraummedizin fasziniert ist: Mehr als eine Million Follower bei Twitter hat sich inzwischen der deutsche Geophysiker und Astronaut Alexander Gerst 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.
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 face“) und schlanke Beine („Bird legs“).
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.
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.
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 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. ■
Kleines Kompendium
G-Masern sind petechiale Einblutungen, die auftreten können, wenn man höheren G-Kräften ausgesetzt ist, zum Beispiel wenn ein Raumschiff unsanft auf der Erde landet.
Die Weltraumkrankheit ist eine Phase mit starker Übelkeit und Erbrechen während der ersten Tage in Schwerelosigkeit.
Beim SANS-Syndroms (Spaceflight-associated neuro-ocular syndrome) ist die Pathophysiologie weiterhin ungeklärt. Fakt ist, dass Raumfahrer häufig unter typischen Augenveränderungen mit Sehstörungen leiden.
Space Adaptation Back Pain sind charakteristische Rückenschmerzen, die beim Aufenthalt im Weltraum auftreten können. Der Körper wächst in Schwerelosigkeit in den ersten 24 Stunden um durchschnittlich 5,5 cm in die Länge. Das liegt an einer Ausdehnung der Bandscheiben und Streckung des Rückens. Ein Kosmonaut ist angeblich um 13 cm gewachsen und brauchte einen neuen Raumanzug, um sicher auf die Erde zurückzukommen – der alte Anzug passte nicht mehr.
Weltraummedizin als Beruf
Wie wird man Weltraummediziner? Da gibt es kein Patentrezept, sagt die Autorin Dr. med. Bergita Ganse dem Deutschen Ärzteblatt Medizin studieren. Sie selbst ist Fachärztin für Physiologie mit den Zusatzbezeichnungen Sport- und Notfallmedizin. Die Weiterbildung zur Fachärztin für Physiologie absolvierte sie beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln und an der Berliner Charité. Ende des Jahres wird sie zudem ihre Facharztweiterbildung in der Orthopädie und Unfallchirurgie an der Uni Aachen abschließen. Als Forschungsgebiet hat sie das muskuloskelettale System in Schwerelosigkeit gewählt.
Auch in der Lehre engagiert sich Ganse. Ihr ist es wichtig, die zukünftigen ärztlichen Kollegen für die interdisziplinäre Forschung zu begeistern und ihnen zu verdeutlichen, wie sehr Forschungsergebnisse aus der Raumfahrt Patienten auf der Erde helfen. Seit dem Sommersemester 2015 lässt sie deshalb Medizinstudierende in Aachen über den Tellerrand der „üblichen“ Medizin blicken und verknüpft vorklinisches und klinisches Wissen. In ihrer Vorlesung zur Weltraummedizin geht es darum, wie der Körper sich an die Schwerelosigkeit anpasst, um Krankheiten und Symptome der Raumfahrer und um spannende internationale Forschung. Der Astronaut Dr. Hans Schlegel, der selbst früher in Aachen studiert hat, kommt regelmäßig in die Vorlesung, erzählt von seinen Erlebnissen im All und beantwortet die Fragen der Studierenden.
Wer keine Möglichkeit hat, die Weltraummedizinvorlesungen von Ganse zu hören, kann Erfahrungen bei Famulaturen und Praktika sammeln, zum Beispiel hier:
● im Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Köln (www.dlr.de/me)
● im Center for Space Medicine and extreme environments Berlin (www.charite-in-space.de)
● bei der Europäischen Weltraumbehörde ESA in Köln (https://www.esa.int/About_Us/EAC/Space_Medicine_Office) ER
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