Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 21. Juli 2022.

21. Juli 2022 – Angepasste Trainingsprogramme in Verbindung mit medikamentöser Unterstützung könnten Astronautinnen und Astronauten auf künftigen Missionen besser schützen. Ihre Erkenntnisse, die auch für die Behandlung rheumatologischer Erkrankungen im klinischen Alltag genutzt werden sollen, haben die Forschenden im renommierten Wissenschaftsjournal Nature Scientific Reports veröffentlicht.

Fliegt der Mensch eines Tages zum Mars? Eine solche Mission wird seit Jahrzehnten diskutiert – und sie ist nicht nur abhängig von den technischen Voraussetzungen. „Wenn Menschen drei Jahre ununterbrochen im Weltall unterwegs sind, müssen wir auch die gesundheitlichen Belastungen im Blick haben“, sagt Dr. Anna-Maria Liphardt. „Das gilt bereits für heutige Flüge, bei denen Astronautinnen und Astronauten meist nicht länger als sechs Monate der Schwerelosigkeit ausgesetzt sind.“

Nach Flug: Knochen bis zu zehn Jahre gealtert
Liphardt ist Sportwissenschaftlerin, hat am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und an der Deutschen Sporthochschule Köln promoviert und erforscht am Universitätsklinikum Erlangen die Auswirkungen rheumatisch-entzündlicher Erkrankungen auf unser Skelett. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Deutschland, Kanada und den USA hat sie in einer Langzeitstudie untersucht, wie sich die Knochenstruktur im Weltall verändert und wie sie sich auf der Erde wieder erholt. 14 Männer und drei Frauen wurden vor ihrem Start ins Weltall sowie sechs und zwölf Monate nach ihrer Rückkehr gecheckt: die Knochendichte und Stärke von Tibea und Radius, also des Schienbeins und der Speiche, wurden ebenso bestimmt wie die trabekuläre Mikrostruktur im Knocheninneren. Anhand von Biomarkern in Blut und Urin wurde außerdem der Knochenumsatz gemessen.

Die Ergebnisse sind besorgniserregend: Selbst zwölf Monate nach dem Flug hatten sich neun von 17 Astronauten nicht vollständig erholt und zeigten eine um bis zu zwei Prozent reduzierte Knochenstärke und -mineraldichte. „Das klingt nicht spektakulär, aber es entspricht einem altersbedingten Knochenverlust von mindestens einem Jahrzehnt“, erklärt Anna-Maria Liphardt. „Die Konsequenz ist, dass die Betroffenen mit deutlich früher beginnender Osteoporose und Anfälligkeit für Brüche rechnen müssen.“ Im Unterschied zur Alterung auf der Erde ist bei den Astronautinnen und Astronauten weniger die Knochenhülle, sondern vielmehr die innere Knochenstruktur betroffen. Einige der untersuchten Probandinnen und Probanden wiesen bereits irreparable Schädigungen der stäbchenförmigen Trabekel auf. Liphardt: „Wir konnten zeigen, dass die Regeneration umso schwieriger ist, je länger die Astronautinnen und Astronauten im Weltall waren.“

Training und Medikation müssen angepasst werden
Größere Regenerationsprobleme hatten auch jene Personen, bei denen vor dem Flug ein höherer Knochenumsatz festgestellt wurde. „Knochenumsatz bedeutet, dass Zellen abgebaut und wieder neu gebildet werden“, erklärt Liphardt. „Menschen mit höherer körperlicher Aktivität haben einen höheren Knochenumsatz – die Schwierigkeit besteht darin, diese Aktivität während der Weltraummission aufrecht zu erhalten.“ Zwar gebe es auf der ISS verschiedene Angebote für sportliche Betätigung, vom Laufband über das Fahrradergometer bis hin zu Kraftübungen wie dem Kreuzheben. Entscheidend sei jedoch, das Trainingsprogramm während des Fluges besser an die individuellen Bedürfnisse anzupassen. Liphardt: „Es ist eine besondere Herausforderung, neue Geräte zu entwickeln, die in der Schwerelosigkeit funktionieren und wenig Platz beanspruchen.“

Profitieren könnten Astronautinnen und Astronauten auch von Medikamenten, wenn sie zusätzlich zur Bewegung während des Fluges eingenommen werden. Dazu zählen beispielsweise Bisphosphonate, die bereits erfolgreich zur Behandlung und Vorbeugung von Osteoporose zum Einsatz kommen, weil sie den Knochenabbau hemmen. „Bisphosphonate werden von der NASA bereits eingesetzt, allerdings weiß man noch zu wenig darüber, wie sie in der Mikrogravitation genau wirken“, erklärt Liphardt. „Wir empfehlen, die Kombination aus medikamentöser Therapie und körperlichem Training weiter systematisch zu untersuchen.“

Erkenntnisse für medizinischen Alltag
Mit ihrer Studie liefern die Forschenden nicht nur Erkenntnisse für künftige Weltraummissionen. Muskel- und Knochenschwund infolge von Bewegungsmangel sind auch ein zentrales Problem bei chronischen Erkrankungen auf der Erde. „In der Rheumatologie ist nicht immer klar, welche Schäden durch die Entzündung und welche durch Immobilität verursacht werden“, sagt Liphardt. „Unsere Studie könnte deshalb auch den Grundstein für neue oder angepasste Therapien legen.“

Hilfreich wird dabei auch die neue Generation hochauflösender peripherer quantitativer Computertomographen (HR-pQCT) sein, die bei der Astronautenstudie zum Einsatz kam. Die Geräte sind in der Lage, die innere Knochenstruktur in hoher Auflösung direkt abzubilden. „Bei älteren Geräten wurde ein Algorithmus verwendet, um einzelne Parameter der Mikrostruktur aus dem erzeugten Bildmaterial zu berechnen“, erklärt Liphardt. „Dabei kam es zu ungenauen Ergebnissen, vor allem bei trabekulären Knochenveränderungen.“ Seit einigen Monaten verfügt nun auch die Medizinische Klinik 3 des Universitätsklinikum Erlangen über ein solches HR-pQCT-Gerät der neuesten Generation – profitieren werden davon jedoch keine Astronauten, sondern Patientinnen und Patienten mit Erkrankungen des Muskel- und Skelettsystems.

Publikation
Leigh Gabel, Anna-Maria Liphardt, Paul A. Hulme, Martina Heer, Sara R. Zwart, Jean D. Sibonga, Scott M. Smith & Steven K. Boyd: Incomplete recovery of bone strength and trabecular microarchitecture at the distal tibia 1 year after return from long duration spaceflight.
https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-022-13461-1.pdf

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

Der Beitrag Forscherin der FAU untersucht Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf Skelett erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Wiley InterScience, NASA.

Dieser als NF-kappa-B bekannte Proteinkomplex wird in allen menschlichen Körperzellen gebildet und hat verschiedene Auswirkungen. Unter anderem schaltet er auch Gene ein, die Zellabbau verursachen. In Laborversuchen mit zwei verschiedenen Zellkulturen konnte nachgewiesen werden, dass Eicosapentaensäure (EPA) die Aktivierung von NF-kappa-B hemmt. EPA gehört zu den mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäuren und kommt insbesondere in Fischfett vor.

Die positiven Ergebnisse mit Zellkulturen riefen die NASA auf den Plan. In Blutzellen von Astronauten, die mit dem Shuttle etwa 2 Wochen in der Schwerelosigkeit weilten, ließ sich bis etwa 2 Wochen nach dem Flug eine erhöhte Aktivierung von NF-kappa-B nachweisen. Man vermutete darin eine Ursache für den Substanzabbau in Muskeln und Knochen und suchte nach einem Weg, diesen zu reduzieren.

Eine Bettruhestudie bestätigte den Verdacht. Einige der 16 Probanden, die zwei Monate lang rund um die Uhr im Bett zubrachten, bekamen verstärkt Fisch serviert. Tatsächlich stellte sich heraus, dass bei ihnen der Knochenverlust nicht so stark ausfiel wie bei den anderen Probanden.

Daraufhin wurden auch an Langzeitastronauten entsprechende Untersuchungen angestellt. Raumfahrer, die angaben, während ihres Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit mehr Fisch gegessen zu haben als andere, zeigten einen geringeren Knochenabbau. Bisher ist dies aber noch nicht wissenschaftlich untersucht worden, was allerdings in Zukunft nachgeholt werden soll. Nicht erklären kann die Studie, warum NF-kappa-B unter Weltraumbedingungen aktiver Gene für Substanzabbau einschaltet. Nachgewiesen ist bisher auch nur die Wirkung in Zellkulturen und im Rahmen einer Bettruhestudie. Zudem kann EPA den Knochenabbau nicht verhindern sondern nur verzögern.

Am Erkenntnisprozess beteiligt waren Wissenschaftler der Universities Space Research Association, des NASA Johnson Space Center sowie der Enterprise Advisory Services Inc., alle ansässig im texanischen Houston. Veröffentlicht wurde die im August 2009 eingerichte Arbeit in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Journal of Bone and Mineral Research.

Der Beitrag Fisch gegen Knochenabbau erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA.

Dass Astronauten sich nach der Rückkehr von langen Weltraummissionen nur mühsam auf den Beinen halten können, hat man zuletzt wieder bei dem deutschen ESA-Langzeitraumfahrer Thomas Reiter gesehen, der auf das triumphale Verlassen des Shuttles zusammen mit seinen weniger raumerfahrenen Kollegen verzichten musste. Aber nicht nur die Muskeln von Astronauten sind von der Schwerelosigkeit betroffen, sondern auch ihre Knochen, und das ist auf lange Sicht wahrscheinlich sogar das größere Problem.

Eine vierjährige Studie zu den langfristigen Auswirkungen der Schwerelosigkeit zeigte jetzt, dass sich bei Langzeit-Besatzungsmitgliedern der Internationalen Raumstation (ISS) die Hüftknochen um immerhin durchschnittlich 11 Prozent abbauten.

Die Untersuchung fand auch, dass sich ein Jahr nach der Rückkehr zur Erde zwar ein Großteil des verlorenen Knochenmaterials regeneriert hatte. Struktur und Dichte der Knochen hatten sich gegenüber dem Zustand unmittelbar nach der Landung deutlich verbessert, waren aber noch nicht wieder hundertprozentig auf dem alten Stand. Die Forscher meinen, dass es deutlich länger als ein Jahr dauern dürfte, bis die alte Stärke des Hüftknochens wieder erreicht ist.

Die Ergebnisse der Untersuchung sind wichtig im Hinblick auf einen Langzeitflug zum Mars und zurück. Schon nach dem wahrscheinlich jahrelangen Hinflug steigt die Gefahr eines Knochenbruchs – auf dem Mars, wo der Astronaut ihn am wenigsten brauchen kann. Und nach dem ebenso langen Rückflug zur Erde mit ihrer ungleich höheren Schwerkraft wächst das Risiko erst recht.

Auch bei Menschen, die die Erde nie verlassen, ist Knochenschwund keine Seltenheit. Ärzte behandeln Millionen von Frauen und Männern wegen Osteoporose – einer Krankheit, bei der Knochenschwund dazu führt, dass Knochen poröser werden und leichter brechen. Die Auswirkungen sind vergleichbar: Daten der NASA-Untersuchung zeigen, dass ISS-Crewmitglieder in einem Monat im Schnitt soviel Knochenmasse verloren wie eine ältere Frau in einem ganzen Jahr. Obwohl gesunde Astronauten während ihres vier- bis sechsmonatigen Aufenthalts keineswegs Osteoporose bekamen, war der Grad ihres Knochenschwunds doch hoch genug, um Befüchtungen wachsen zu lassen, dass sie schon unter relativ leichter Belastung, wie sie etwa beim Arbeiten, Heben, oder auch Hinfallen auftreten kann, Knochenbrüche erleiden könnten.

„Der Erfolg bemannter Forschungsmissionen hängt davon ab, Gegenmaßnahmen für diese Effekte zu finden“, sagte Julie Robinson, ISS-Programm-Wissenschaftlerin am Johnson-Weltraumzentrum der NASA in Houston. „Es gibt bedeutende Synergien zwischen der Osteoporoseforschung auf der Erde und den Knochenstudien an ISS-Astronauten. Die Forschungsgebiete ergänzen einander.“

Die Untersuchung war eine der ersten des Human-Research-Programms, das an Bord der Raumstation durchgeführt wurde. Dieses Programm überwacht diverse Gesundheitsexperimente an Astronauten, um deren Gesundheitsrisiken beim Einsatz im Weltraum zu verstehen und zu minimieren.

Beginnend mit der Expedition 2 von März bis August 2001 bis zur Expedition 8 von Oktober 2003 bis April 2004 nahmen 16 Besatzungsmitglieder an der Studie teil. Die Forschung konzentrierte sich auf ihre lasttragenden Knochen, darunter vor allem den Hüftknochen, da frühere Untersuchungen gezeigt hatten, dass dieser den höchsten Knochmassenverlust im Verlauf einer Raummission erleidet. Gleichzeitig ist er auch die am meisten von Osteoporose betroffene Stelle des menschlichen Skeletts bei älteren Menschen.

Die Knochen jedes Astronauten wurden dreimal vermessen: Vor und nach ihrer Mission sowie ein Jahr nach ihrer Rückkehr zur Erde. Der Forschungsleiter dieses Experiments, Dr. Thomas Lang von der Universität von Kalifornien, nutzte eine fortgeschrittene Röntgentomografie-Technik, um den Wiederaufbau verlorener Knochenmasse und Änderungen in Größe und Stärke der Knochen zu charakterisieren. Die Technik liefert eine Serie von Querschnitten durch den Hüftknochen, die dreidimensionale Messungen ohne Beeinflussung durch umliegendes Gewebe erlaubt. Lang nutzte die Röntgentechnologie, um die dichten äußeren (kortikalen) und die poröseren inneren (trabekularen) Schichten des Knochens separat zu vermessen und so den Knochenmasseverlust in Hüfte und Wirbelsäule zu bestimmen. Mit der dreidimensionalen Tomografie kann man herausfinden, ob der Verlust in einem Teil des Knochens ausgeprägter ist als in einem anderen.

„Es gibt Hinweise aus der Altersforschung, dass sich Knochen als Ausgleich für Knochenmasseverlust vergrößern. Wir vermuten, dass etwas Ähnliches geschehen würde, wenn Crewmitglieder nach Langzeitflügen in die Schwerkraft zurückkehren“, sagte Lang. „Unsere einjährigen Messungen wären konsistent mit einem solchen Zuwachs der Knochengröße; allerdings dürfte dieser Zuwachs nicht genug sein, um die volle Stärke des Hüftknochens wiederherzustellen. Wir werden mit den Knochendichtemessungen weiter machen, um zu ermitteln, wie viel länger es dauert, um sowohl die Knochen als auch ihre Stärke wiederherzustellen, und ob diese strukturellen Änderungen von Dauer sind.“

Der Beitrag Knochenschwund bei Astronauten macht Sorgen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Markus Arens. Quelle: Spaceref.

Eine neue nasafinanzierte Studie enthüllt wie Knochenschwund das Risiko von Verletzungen erhöht und hebt dabei die Notwendigkeit zusätzlicher Maßnahmen zur Sicherung der Gesundheit von Raumschiffmannschaften hervor. Die Studie sorgte für neue Informationen über Knochenschwund der bei längeren Aufenthalten in der Schwerelosigkeit auftritt.
Das Team setzte sich aus Forschern der Universität von Californien San Francisco (UCSF) und dem Baylor College of Medicine, Houston zusammen. Sie nutzen die Computertomografie (CT) um anhand von Hüftknochen aus einer Gruppe von 14 amerikanischen und russischen Besatzungsmitgliedern der internationalen Raumstation den Effekt von längerer Schwerelosigkeit auf die Knochenmineraldichte und Struktur zu studieren.

Die Mannschaftsmitglieder waren zwischen vier und sechs Monaten auf der Station. Die CT-Messungen in der Hüfte wurden vor und nach dem Flug vorgenommen um den Knochenschwund in dem pörösen Knochen im Innern der Hüfte und äußeren Hülle des Hüftknochens zu messen. Im Durchschnitt verlor die Stationsmannschaft etwa 2,2 bis 2,7 Prozent im inneren Knochen für jeden Monat im All und 1.6 bis 1,7 Prozent am äußeren Knochen.

Die Studie empfiehlt zusätzliche Kondiditionsübungen und andere Gegenmaßnahmen zur Vorbeugung gegen den Verlust von Knochenmineralien.

„Diese Studie unterstreicht die Wichtigkeit der kontinuierlichen Entwicklung von Gegenmaßnahmen zur Vorsorge für Muskeln und Knochen für Langzeitraumfahrer“, sagte Guy Fogleman, Director of Bioastronautics Research innerhalb den NASA Büros für biologische und Physische Forschung, Washington. „Die Resultate dieser Forschung, die vielen Leuten auf der Erde helfen könnten, die unter ähnlichen Beschwerden leiden, einschließlich Osteoporose, werden mit der medizinischen Gemeinschaft geteilt“ fügte er hinzu.“

Der Beitrag Knochenschwund in Schwerelosigkeit erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von meiklampmann. Quelle: ESA.

Für eine Studie zu den Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den Muskel- und Knochenapparat sucht das Zentrum für Muskel- und Knochenforschung (ZMK) in Kooperation mit der Europäischen Weltraumagentur ESA zwanzig körperlich stabile und willenstarke Männer zwischen 20 und 45 Jahren.

Den Bewerbern, die das Rennen schließlich machen, stehen acht Wochen strenges Dauerliegen auf der Isolierstation bevor: Durch strikte Bettruhe sollen in der „Berliner Bed Rest Studie“ die Bedingungen der Schwerelosigkeit simuliert werden. Die Studie wird am Benjamin Franklin Klinikum der Freien Universität Berlin durchgeführt und läuft Mitte Februar an.

Topfit zum Mars
Im Rahmen ihres Erkundungsprogramms Aurora arbeitet die ESA an der Entwicklung von Technologien, die bis 2030 einen Menschheitstraum erfüllen sollen: den bemannten Flug zum Mars. Doch bevor der erste Mensch seinen Fußabdruck im Staub des Roten Planeten hinterlassen kann, sind neben technischen auch eine Fülle physiologisch- und medizinischer Probleme zu bewältigen. Der Trip zum Mars bedeutet für die Astronauten einen möglicherweise jahrelangen Aufenthalt in Schwerelosigkeit. Die Folgen dieser enormen körperlichen Belastung können die gesamte Mission zum Scheitern bringen, wenn die Astronauten bei der Ankunft nicht mehr fit genug sind, um ihre Aufgaben auf dem Roten Planeten zu erfüllen.

Hauptproblem: Muskel- und Knochenschwund
Zu einem besonderen Problem kann der Muskel- und Knochenschwund werden, der sich bei Langzeitaufenthalten in der Schwerelosigkeit einstellt. Durch die zu geringe Belastung des Bewegungsapparates bildet sich die Muskulatur zurück, vor allem die Muskeln der Beine, des Beckenbereichs und des unteren Rückens. Zugleich kommt es durch die Muskelatrophie und mangelnde Beanspruchung zum Abbau von Knochenmasse. Die Berliner Bettruhestudie des ZMK soll daher helfen, genauer zu verstehen, wie Muskelabbau und Knochenschwund wechselseitig wirken. Außerdem wird ein neuartiges Trainingsgerät eingesetzt, das durch Vibration den Muskel- und Knochenaufbau stimuliert. Am Universitätsklinikum Benjamin Franklin wird das Gerät bereits erfolgreich genutzt. Nun soll geprüft werden, ob diese Methode auch bei Langzeitmissionen im All verhindern kann, dass Muskulatur und Knochen schlapp machen. Schließlich sollen die ersten Menschen ihren Fuß auf den Mars setzen können, ohne Knochenbrüche zu riskieren

Eiserne Disziplin gefordert
Den Testpersonen, die schließlich für die Berliner Studie ausgewählt werden, steht ein Programm bevor, das eisernes Durchhaltevermögen erfordert. Sie müssen acht Wochen nonstop im Liegen verbringen und dabei jede größere Kraftentwicklung in den unteren Extremitäten vermeiden. Geduscht wird ebenfalls im Liegen und selbst der Abort wird in der Waagerechten aufgesucht. Die Probanden werden – von der Außenwelt isoliert – in Zweibettzimmern untergebracht und rund um die Uhr videoüberwacht. Private persönliche Kontakte müssen während des gesamten virtuellen Fluges unterbleiben.

Wer aufsteht, fliegt rausWer sich als Studienteilnehmer qualifizieren will, muss daher einige Hürden nehmen. „Die Probanden müssen sehr ähnliche körperliche und mentale Eigenschaften aufweisen wie Astronauten, die ins All fliegen“, so Professor Dieter Felsenberg, der die Bettruhestudie leitet. Neben einem guten Gesundheitszustand und psychischer Stabilität ist die Fähigkeit gefordert, Grenzsituationen durchzustehen. Das Auswahlverfahren ist streng. „Nur etwa einer von hundert Bewerbern kommt schließlich als Testperson in Frage“, erklärt Professor Felsenberg.
Jedem virtuellen Astronauten werden ein Telefon, ein eigenes Fernsehrgerät und ein PC mit Internetanschluss zur Verfügung gestellt. Außerdem winkt eine Aufwandentschädigung von 5000 Euro pro Mann. Gezahlt wird allerdings nur, wenn der Proband die Studienbedingungen streng einhält. Wer schummelt, produziert falsche Ergebnisse, die dann auf andere Programme übertragen werden. Das kann schließlich für die Astronauten fatale Folgen haben. Die Einhaltung strikter Bettruhe ist daher oberstes Gebot.

Professor Felsenberg bringt es auf den Punkt:“Wer aufsteht, fliegt raus“.

Langzeitfolgen haben die Testpersonen nicht zu befürchten. Etwa eine Woche nach dem Aufstehen ist die Alltagstauglichkeit aus medizinisch-physiologischer Sicht weitgehend wieder hergestellt.

Ernsthafte Interessenten können sich beim zentralen Rekrutierungsbüro des Zentrums für Muskel und Knochenforschung (ZMK) bewerben: Telefon: 030 – 8445-4261

Weitere Informationen zur Studie und zu den Teilnahmebedingungen: www.medizin.fu-berlin.de

Der Beitrag Gesucht: männliche Marspioniere erschien zuerst auf Raumfahrer.net.