Welche Folgen hat Schwerelosigkeit für den menschlichen Körper?

ESA, NASA, DLR und BMBF fördern interdisziplinäre Forschungsprojekte am Zentrum für Weltraummedizin Berlin

Wie wirkt sich Schwerelosigkeit auf die Muskeln und Knochen aus? Was passiert mit den Zellen, wenn Astronauten durch das All schweben? Inwieweit verändert sich die Koordination zwischen Auge und Kopf in der Schwerelosigkeit? Und: Welche Folgen haben Flüssigkeitsverschiebungen in den oberflächlichen Hautgeweben? All das sind Fragen, denen das Zentrum für Weltraummedizin Berlin (ZWMB) gemeinsam mit dem Zentrum für Muskel- und Knochenforschung und dem Institut für Pharmakologie am Charité-Campus Benjamin Franklin nachgeht. Die Europäische Weltraumbehörde ESA, die NASA, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das Bundesforschungsministerium (BMBF) unterstützen die Forschungsprojekte.

„Die interdisziplinäre physiologisch-medizinische Weltraumforschung, die wir am Zentrum für Weltraummedizin in Berlin verfolgen, ist einzigartig in Europa“, sagt Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga, Sprecher des ZWMB. Und er muss es wissen: Als Chairman der „Life Science Working Group“ der ESA sind ihm alle aktiven Forschergruppen in Europa bekannt. Das ZWMB deckt – insbesondere durch seine enge Verflechtung mit anderen Einrichtungen der Charité – das breiteste Spektrum von integrativer Humanphysiologie von der Zelle bis hin zum Gesamtorganismus ab. „Wir sind stolz darauf, dass wir uns im internationalen Wettstreit um die ausgeschriebenen Forschungsprojekte mit unseren Anträgen gegen die Konkurrenz durchgesetzt haben“, sagt Gunga.

Der Muskel- und Knochenabbau ist neben der hohen Strahlung im All eines der wichtigsten medizinischen Probleme der modernen Raumfahrt. Deshalb untersucht Prof. Dr. Dieter Felsenberg mit seinem Team vom Zentrum für Muskel- und Knochenforschung (ZMK) die Wirkung der Schwerelosigkeit auf das muskuloskeletale System. Der massive Abbau der Muskelkraft und des Knochens stellt beim Wiedereintritt in das Schwerefeld der Erde oder auch eines anderen Planeten eine ernsthafte Gefährdung für die Astronauten dar. In Zusammenarbeit mit der ESA und der NASA entwickelt das Felsenberg-Team Maßnahmen gegen den Abbau der Muskelkraft und der Knochenmasse. Derzeit führen die Mediziner eine Studie mit 24 jungen, gesunden Frauen im BedRest-Facility der ESA im französischen Toulouse durch, in der die Wirksamkeit dieser Gegenmaßnahmen überprüft wird. Während eines 60-tägigen Aufenthaltes im Bett bei sechs Grad Kopftieflage wird die Schwerelosigkeit simuliert. Ein spezifisches Muskeltraining in einer Unterdruckkammer soll den Abbau der Muskelkraft und -leistung verhindern. Das ZMK hat zur Durchführung der Untersuchung eine Forschungsförderung von der DLR in Höhe von 53.000 Euro erhalten. Eine weitere Förderung des BMBF/DLR erfolgte in Höhe von zusätzlich 98.000 Euro, um die Optimierung des Muskeltrainings in einer Kombination von Unterdruck und Vibrationstraining voranzutreiben. Die Entwicklung der Geräte und erste Testläufe werden noch in diesem Jahr abgeschlossen.

Prof. Dr. Dieter Blottner von der ZWMB-Arbeitsgruppe „Neuromuskuläres System“ untersucht die Anpassung der menschlichen Skelettmuskulatur an die Schwerelosigkeit mit Hilfe von morphologischen Nachweismethoden unter Verwendung der so genannten „konfokalen Lasermikroskopie“. Durch dieses hoch auflösende Abbildungsverfahren können feinste Unterschiede an molekularen Zellstrukturen erstmals präzise lokalisiert und quantitativ dokumentiert werden. Um die molekularen Mechanismen des Muskelschwundes besser zu verstehen, untersuchen die Wissenschaftler gegenwärtig im Rahmen der Kopf-Tieflage-Studie in Toulouse an den 24 freiwilligen Probandinnen, inwieweit es während der strikten 60-tägigen Bettruhe mit und ohne Muskeltraining zu Veränderungen von Skelettmuskel-spezifischen Zellsignalen kommt. Das BMBF/DLR unterstützt das Projekt mit etwa 150.000 Euro.

Priv.-Doz. Dr. Daniela Grimm untersucht im Rahmen eines von der ESA mit gut 770.000 Euro unterstützten Projekts die Veränderungen von Endothelzellen, die unter den Bedingungen von Schwerelosigkeit gezüchtet werden. Grund: Jede Änderung der Gravitation beeinflusst die Zellen. Da Endothelzellen bei der Entwicklung zahlreicher Erkrankungen eine wesentliche Rolle spielen, sind sie für die Mediziner von besonderem Interesse. Neben den Untersuchungen der molekularen und strukturellen Veränderungen der Zellen unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit will das Team um Grimm vor allem herausfinden, inwieweit Endothelzellen pharmakologisch beeinflussbar sind.

Der Gleichgewichtsforscher Prof. Dr. Andrew H. Clarke analysiert in Zusammenarbeit mit der DLR, die das Projekt mit knapp 450.000 Euro fördert, und der Berliner Firma Chronos Vision die Koordination zwischen Auge und Kopf in der Schwerelosigkeit und hat dazu ein spezielles Gerät entwickelt. Als Spin-Off wird die neue Messanlage in etwa 30 Forschungsinstituten weltweit eingesetzt. Ferner untersucht Clarke die Bedeutung des Gleichgewichtsorgans bei der so genannten Reisekrankheit. Widersprüchliche Bewegungsmeldungen aus den verschiedenen Sinnesorganen bzw. das daraus entstehende Missverhältnis von erwarteter und tatsächlicher Sinnesreizung lösen bei den Betroffenen Schwindelgefühle aus. In diesem Jahr macht Clarke hierzu erste Probeuntersuchungen sowohl im terrestrischen Labor als auch im All: In Kürze wird Andrew Clarke russische Kosmonauten untersuchen, die sich sechs Monate lang an Bord der Internationalen Raumstation ISS aufhalten werden. Auch an Bord eines Parabelflugzeugs, mit dem die ESA Schwerelosigkeit simuliert, wird der Gleichgewichtsforscher im September im französischen Bordeaux Tests vornehmen. Für ihre Parabelflüge hat die Europäische Weltraumbehörde extra einen schubstarken Airbus A300 umgebaut. Bei einem Parabelflug folgt das Flugzeug einer Flugbahn, die der eines in die Luft geworfenen Steins entspricht und begibt sich in den freien Fall. Innerhalb einer Testphase wird der freie Fall bis zu 30 Mal wiederholt.

An derselben Parabelflug-Kampagne der ESA im September beteiligt sich auch die Arbeitsgruppe des Physiologen Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga. In Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen untersucht Gunga mit seinem Team bei Parabelflügen schnelle Flüssigkeitsverschiebungen in den oberflächlichen Hautgeweben entlang der Körperachse des Menschen sowie die thermoregulatorischen Anpassungen des Menschen unter simulierten und realen Mikrogravitationsbedingungen. Neue nicht-invasive Methoden erlauben in ihrer Kombination bislang nicht mögliche Einsichten in das Ausmaß und die Dynamik dieser schnellen Flüssigkeitsverschiebungen, die innerhalb eines Gefäßes oder zwischen einzelnen Organen, Geweben und Zellen eintreten. Gleichzeitig können die Forscher neue Einsichten zur Thermoregulation unter Mikrogravitationsbedingungen erlangen. Hanns-Christian Gunga hofft, dass die Untersuchungen zudem neue Einblicke in die akuten und längerfristigen Adaptationsvorgänge im Flüssigkeitshaushalt, im Kreislaufsystem und der Thermoregulation des Menschen während seines Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit und anderen extremen Umwelten ermöglichen. Das Projekt hat bereits im Jahr 2003 eine BMBF/DLR-Förderung für drei Jahre von etwa 400.000 Euro erhalten und ist im Juni 2005 um weitere 150.000 Euro aufgestockt worden.

Weitere Informationen zu allen Projekten des ZWMBs erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga, Sprecher des Zentrums für Weltraummedizin Berlin
Mobil: 0172 / 311 66 21, Tel.: 030 / 8445-1659, E-Mail: hanns-christian.gunga@zwmb.de