Blinde Passagiere an Bord

Natürlich ist es nicht wirklich überraschend: Auf der ISS tummeln sich nicht nur Astronauten und Versuchslebewesen, sondern auch Bakterien. Trotz gründlicher Vorsorge lässt sich das nicht ganz vermeiden, denn Menschen haben nun mal Bakterien an sich. Und nicht nur das: Man kann sogar einzelne Individuen lediglich anhand ihrer Mikroben-Signatur eindeutig voneinander unterscheiden.

Corynebacterium diphtheriae

Corynebacterium diphtheriae, By Microrao (Own work) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)%5D, via Wikimedia Commons

Inzwischen hat man dank der DNA-Sequenzierung allerdings neue Methoden, um auch Art und Ausmaß der Kontamination auf der ISS genauer zu überprüfen. Das ist die eigentliche Nachricht an der Meldung, die in den vergangenen Tagen durch die Medien ging. Hier hat gerade das Ausmaß der Verunreinigung die Forscher nun doch überrascht, denn im Vergleich zur bakteriellen Belastung so genannter „Clean Rooms“ auf der Erde war – trotz umfangreicher Prophylaxemaßnahmen – die ISS wesentlich stärker verkeimt als Erstere. [1] *) Man vermutet, dass ein Teil der Mikroben über die Nutzlasten eingeschleppt wird, obwohl auch diese vor dem Verladen gründlich gereinigt werden.

Was auf der Erde ganz normal, relativ harmlos und in gewissem Ausmaß sogar nützlich ist (man denke nur an unsere Darm- und Hautflora), kann sich im Weltraum zu einem großen Problem auswachsen. Dies ist seit langem bekannt, und es sind mindestens drei Faktoren beteiligt, die derzeit weiter erforscht werden:

– Geschwächtes Immunsystem –
Erstens hat sich herausgestellt, dass längere Aufenthalte im All das Immunsystem der Astronauten schwächen. Stress, Strahlung und Schwerelosigkeit beeinträchtigen die Fähigkeit der Immunzellen, bestimmte Gene rechtzeitig zu aktivieren und so auf Viren, Bakterien, Pilze etc. zu reagieren. [2] [3] Die Signalübertragung wird erschwert [4], und obendrein verändert sich in der Schwerelosigkeit das Zytoskelett der Zellen. Sie verlieren somit an Motilität und können sich daher nicht mehr aktiv fortbewegen, um die Pathogene aufzuspüren und zu vernichten. [5]

– Stärkere Virulenz –
Damit jedoch nicht genug: Viele Erreger (darunter übrigens auch Karies) werden unter Schwerelosigkeit noch virulenter als sie unter irdischen Bedingungen ohnehin schon sind. Im Fall von Salmonellose-Erregern konnten Forscher 2007 nachweisen, dass dies mit dem RNA-bindenden Protein Hfq zusammenhängt. [6] Hfq spielt sehr vereinfacht ausgedrückt den Vermittler zwischen kleiner RNA und Boten-RNA. Es reguliert so in vielen Bakterien die Genexpression unter Stressbedingungen. Darüber hinaus weisen Bakterien unter anhaltender Schwerelosigkeit dickere Zellwände auf, sind widerstandsfähiger gegen Bekämpfungsmittel, haben einen größeren Hang, einen Bakterienrasen zu bilden und weisen zudem eine längere Überlebenszeit in menschlichen Fresszellen auf. [7] Zu allem Überfluss führt Schwerelosigkeit bei zahlreichen Bakterien auch noch zu einer erhöhten Toleranz gegenüber veränderten Temperaturen, osmotischen Verhältnissen und pH-Werten. [8] Sie werden zu veritablen Super-Bakterien.

– Verbreitungswege –
Unter irdischen Bedingungen sinken die Erreger irgendwann auf den Boden herab. In Raumfahrzeugen jedoch verbleiben sie in der Luft und können so viel leichter eingeatmet oder verschluckt werden oder sich über das Belüftungssystem in sämtliche Winkel des Fahrzeugs oder der Station verteilen. Überdies liegt es in der Natur der Sache, dass Raumfahrzeuge zur Belüftung nicht auf Frischluft zurückgreifen können. Somit werden die Erreger ständig im Kreis herum geschickt.

Natürlich werden, wie oben bereits erwähnt, vor und auf Raumflügen schon heute eine Reihe von Prophylaxe- und Gegenmaßnahmen implementiert:

– Möglichst gründliche Reinigung aller Gegenstände, die auf die ISS gelangen,
– Check-Ups und Impfprogramme
– Quarantäne vor dem Flug
– Verwendung von Erreger abweisenden oder gar bekämpfenden Materialien
– Hygieneprogramme

Antibiotika scheinen zwar eine einfache Lösung zu sein, jedoch verzeichnen Forscher zunehmend Resistenzen. Man sollte sie daher so sparsam wie nur irgendw möglich verwenden. Obendrein werden Antibiotika nicht von jedem vertragen und zerstören mit den Krankheitserregern oft auch Teile der Darmflora. Diese mit den wenig naturbelassenen Nahrungsmitteln der Astronauten wieder herzustellen, könnte schwierig sein. Es spricht also einiges dafür, der Vermeidung von Infektionen gegenüber der Bekämpfung den Vorrang zu geben.

Allerdings hat diese Strategie über längere Zeit unter Umständen auch Nachteile. Es gibt Hinweise darauf, dass statt der Infektionen dann verstärkt Autoimmunerkrankungen und Allergien auftreten könnten. [9] Diese sind oft noch schlechter behandelbar als akute Infektionen. Dennoch ist aber nicht von der Hand zu weisen, dass das Problem mit Bakterien in Raumfahrzeugen um so besser lösbar ist, je besser man Art und Ausmaß der Belastung kennt. Hier ist der neue Nachweisansatz über die DNA-Sequenzierung durchaus von Vorteil, denn man kann genauer identifizieren und gezielter bekämpfen.

Insgesamt gab es bisher rund 30 Infektionserkrankungen bei Besatzungsmitgliedern. Sie waren jedoch relativ gut behandelbar, und notfalls hätte man die Betroffenen auch relativ schnell zur Erde zurück holen können. Gerade auf erdfernen Langzeitflügen wird man allerdings darauf angewiesen sein, derartige Gefahren frühzeitig zu erkennen und einen Ausbruch der Infektion zu verhindern. Wann immer der erste Langzeitflug nun tatsächlich stattfinden mag…

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*) In den von Checinska, Probst etc. untersuchten Proben fanden sich unter anderem Schönheiten wie das Corynebakterium, welches Atemwegserkrankungen wie Diphterie hervorruft, und das Propionibakterium, ein Akne-Erreger, der aber auch Hirnabszesse und Arthritis verursachen kann. Derartige Erkrankungen sind gerade während einer Mission natürlich gelinde gesagt etwas unwillkommen.

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In diesem Video erklärt Millie Hughes-Fulford ihre eigenen Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der T-Zellen-Aktivierung:

[1] Aleksandra Checinska, Alexander J. Probst et al.: „Microbiomes of the dust particles collected from the International Space Station and Spacecraft Assembly Facilities„, Microbiome 2015, 3:50 doi:10.1186/s40168-015-0116-3

[2] „The Human Immune System in Space„, American Society for Biochemistry and Molecular Biology (ASBMB), April 2013

[3] Millie Hughes-Fulford, Jim Boonyaratakanakornkit et al.: „„Spaceflight alters expression of microRNA during T cell activation“„, The Journal of Immunology, 2011, 186, 109.16

[4] Oliver Ullrich , Kathrin Huber, Kerstin Lang: „Signal transduction in cells of the immune system in microgravity„, Cell Communication and Signaling, December 2008, 6:9

[5] http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Research/Goldfinger
sowie Michael R. Benoit, David M. Klaus: „Microgravity, bacteria, and the influence of motility„, Advances in Space Research, Band 39, Ausgabe 7, 2007, S. 1225 ff.

[6] J. W. Wilsona, C. M. Ott et al.: „Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq„, PNAS October 9, 2007 vol. 104 no. 41 16299-16304, doi: 10.1073/pnas.0707155104

[7] Leonard A. Mermel, „Infection Prevention and Control During Prolonged Human Space Travel„, Clin Infect Dis. 2013 Jan;56(1):123-30. doi: 10.1093/cid/cis861. Epub 2012 Oct 9.

[8] Jason A. Rosenzweig, Ohunene Abogunde et al.: „Spaceflight and modeled microgravity effects on microbial growth and virulence„, Appl Microbiol Biotechnol. 2010 January; 85(4): 885–891. Published online 2009 October 22. doi: 10.1007/s00253-009-2237-8

[9] H. Okada, C. Kuhn, H. Feillet, J.-F. Bach: „The ‘hygiene hypothesis’ for autoimmune and allergic diseases: an update„, Clin Exp Immunol. 2010 April; 160(1): 1–9. doi: 10.1111/j.1365-2249.2010.04139.x

Weitere Studien:
http://www.gizmag.com/nasa-esa-iss-microgravity-immune-system/35130/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11710376
http://www.jleukbio.org/content/92/6/1125.full
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/04/130422132504.htm

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Kurz & Knapp – KW 27/2013

Unter der Rubrik „Kurz & Knapp“ finden sich Hinweise und Links auf Meldungen und Webseiten, die mir nebenbei auffallen, aber auf die Schnelle keinen eigenen Blogeintrag hier erhalten. Sei es, weil mir die Zeit fehlt, sei es, weil sie am besten für sich selbst stehen oder das Thema Raumfahrt eher am Rande betreffen:

  • Was passiert, wenn man auf dem Mond seinen Helm abnimmt? (Engl.)
  • Das deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt hat heute in Köln das :envihab eröffnet, seine Forschungsanlage für Raumfahrtmedizin: http://www.dlr.de/envihab/

Wider den Knochenschwund: Milch trinken reicht nicht.

Astronaut Peggy A. Whitson beim Training auf der Raumstation, 2002. Quelle: NASA

Astronaut Peggy A. Whitson beim Training auf der Raumstation, 2002. Quelle: NASA, CC-by-SA 3.0

Ein Laie, der von Osteoporose a.k.a. Knochenschwund hört, denkt in den meisten Fällen automatisch an zwei Dinge:

Erstens an ältere Menschen. Diese sind in der Tat am häufigsten von Knochenschwund betroffen. Er betrifft jedoch auch Raumfahrer. Die Schwerelosigkeit im All führt dazu, dass die Knochen und auch Muskeln nur noch gering belastet werden. Dem Körper, der stets bestrebt ist, seinen Aufbau zu optimieren, wird so signalisiert, ein Teil der Masse würde nicht benötigt und könne abgebaut werden. Bei länger andauernden Missionen ist dies ein großes Problem (=> Video). Die Astronauten, die ja spätestens nach einigen Monaten ihr Leben auf der Erde weiterführen wollen, müssen oft mehrere Stunden am Tag an Geräten trainieren, um diesem Schwund entgegenzuwirken. Raumfahrtagenturen haben daher ein großes Interesse daran, weitere Möglichkeiten zu finden, den Knochen- und Muskelerhalt ihrer Astronauten zu optimieren.

Zweitens denkt man fast automatisch an Calcium. Von der Nahrungsmittelwerbung in Rundfunk & Print bis hin zu den Flyern beim Hausarzt wird uns immer wieder vermittelt, gerade dieses Element sei unabdingbar für die Knochenbildung und -erhaltung. Das entspricht auch der Wahrheit, denn zwei Drittel unserer Knochensubstanz bestehen in der Tat aus kristallinem Calciumsalz. Aber es ist eben nicht die ganze Wahrheit.

– Calcium alleine genügt nicht –

Denn Calcium alleine genügt nicht. Man könnte es sich pfundweise zuführen – solange andere Nährstoffe fehlen, kann der Körper nichts mit diesen Massen anfangen und scheidet sie wieder aus. (Man spricht dabei vom sog. Minimumgesetz.) Der Knochenaufbau wird nämlich unter anderem auch von der Vitamin-D- und der Proteinzufuhr beeinflusst. Vitamin D kann der Körper mit Hilfe von UV-Lampen an Bord der Raumschiffe und -stationen selbst herstellen. Proteine hingegen müssen über die Nahrung zugeführt werden. Sie werden für die Kreuzverbindungen der Kollagenmoleküle in den Knochen benötigt. Da sie in diesem Prozess irreversibel modifiziert werden, können sie während der kontinuierlichen Um- und Neustrukturierung des Knochenmaterials meist nicht vom Körper wiederverwendet werden. Sie werden abgebaut, ausgeschieden und sind dann für den Körper verloren. Folglich muss permanent Nachschub her.

Proteine sorgen darüber hinaus für eine bessere Aufnahme von Calcium durch den Verdauungstrakt sowie für ein optimiertes Level des Wachstumshormons IGF-1, welches seinerseits wiederum auch für Knochenwachstum- und Dichte verantwortlich ist. [1] Last but not least sind Proteine für den Muskelaufbau und -erhalt notwendig, der sich seinerseits wieder günstig auf den Knochenerhalt auswirkt.

Lamellenknochen mit Havers-Kanälen

Lamellenknochen mit Havers-Kanälen,
Department of Histology, Jagiellonian University Medical College, CC-by-SA 3.0

Eine regelmäßige und ausreichende Zufuhr von Protein ist also für den gesunden Erhalt des Skeletts essenziell, denn – dies kommt noch hinzu – veritabler Proteinmangel beeinträchtigt die Calciumaufnahme und verursacht somit indirekt einen Anstieg des Parathormons (Parathyrin, PTH). Dieses hat die Aufgabe, das Calciumlevel im Blut zu regulieren und veranlasst – wenn zu wenig Calcium zirkuliert – einen Abbau desselben aus den Knochen, um es in den Blutkreislauf zu überführen.

Ausreichende Zufuhr sollte aber keinesfalls durch simple Massenzufuhr sichergestellt werden. Ein Zuviel an Protein führt nämlich paradoxerweise unter Umständen zu erhöhter Calciumausscheidung über den Urin. [2][3] Das muss – je nachdem, wie der Betroffene sich sonst noch ernährt – zwar nicht unbedingt zu einem Verlust an Knochenmasse führen, kann aber Nierensteine verursachen.

– NASA-Projekt „Pro K“ –

Neben Calcium und Proteinen gibt es jedoch noch weitere Faktoren, die bei der Knochenbildung eine wichtige Rolle spielen. Einer von ihnen ist das Element Kalium, ein Alkalimetall, das auch bei der Nervenimpulsübertragung, der Muskeltätigkeit und der Regulierung des Säurehaushalts eine wichtige Rolle spielt. Ist der Säurehaushalt nicht im Gleichgewicht, kann es vereinfacht ausgedrückt geschehen, dass – wie beim oben beschriebenen PTH-Überschuss – Calcium aus den Knochen gelöst und in den Blutkreislauf überführt wird.

Kalium findet sich hauptsächlich in pflanzlichen Nahrungsmitteln. Forschungsergebnisse der letzten Jahre [4] haben ergeben, dass für die Vorbeugung gegen Osteoporose nicht nur die absolute Menge, sondern das Verhältnis von Proteinen zu Kalium in der Ernährung eine große Rolle spielt. In Zusammenarbeit mit dem Kölner Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, der Universities Space Research Association in Houston sowie dem ebenfalls dort ansässigen Johnson Space Center überprüft die NASA nun in eigenen Experimenten den Einfluss der Ratio Protein/Kalium auf den Knochenschwund bei Astronauten. [5] Im Factsheet zum Projekt „Pro K“ heißt es:

„The Dietary Intake Can Predict and Protect Against Changes in Bone Metabolism During Spaceflight and Recovery (Pro K) experiment tests the hypothesis that a diet with a decreased ratio of animal protein to potassium leads to decreased loss of bone mineral during flight. The specific goal for the study is to test this hypothesis by determining if the ratio of acid (animal protein) to base (potassium) precursors in the diet is correlated with bone metabolism and bone loss after space flight.

(…) If successful, the study could lead to improvements in bone health during space flight, with use of a countermeasure that requires no additional stowage, crew time, power, or other constrained resources.“ (Quelle: [5])

Die Ergebnisse dieser Experimente könnten nicht nur Raumfahrern helfen, Knochenschwund vorzubeugen, sondern z.B. auch bettlägerigen Patienten. Man erhofft sich des weiteren generelle Erkenntnisse zur Optimierung der Ernährung:

„Given the growing trend in the United States toward diets high in animal protein, the proposed research has direct public health significance.“ (Quelle: [5])

Auf die Ergebnisse darf man gespannt sein, denn die Feinheiten dieser Analysen sind alleine vom medizinischen/biochemischen Blickwinkel aus schon sehr interessant. Ich persönlich habe allerdings den leisen Verdacht, dass sich die praktische Anwendung neben der Raumfahrt im medizinisch-pflegerischen Bereich erschöpfen wird. Dass neben Fleisch auch eine ausreichende Menge Gemüse und Milchprodukte auf dem Teller landen sollte, ist im Grunde hinlänglich bekannt – es halten sich nur längst nicht alle daran. Meine Wenigkeit eingeschlossen. ^^

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[1] Shoshana Yakar, Clifford J. Rosen et al.: „Circulating levels of IGF-1 directly regulate bone growth and density
[2] S. Margen, J.-Y. Chu, N. A. Kaufmann et al. „Studies in calcium metabolism. I. The calciuretic effect of dietary protein
[3] J.-Y. Chu, S Margen, F. M. Costa: „Studies in calcium metabolism. II. Effects of low calcium and variable protein intake on human calcium metabolism.
[4] Sara R Zwart, Alan R Hargens, and Scott M Smith: „The ratio of animal protein intake to potassium intake is a predictor of bone resorption in space flight analogues and in ambulatory subjects
[5] http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/721.html

Mars One – „Big Brother“ auf dem Nachbarplaneten

In meinem letzten Posting erwähnte ich im Fazit, dass eventuellen Interstellarreisen und der Besiedelung von Exoplaneten entsprechende Experimente innerhalb unseres eigenen Sonnensystems vorausgehen sollten. Nun sieht es so aus, als solle ein solches Projekt im kleinen Maßstab Gegenstand einer Reality-Soap werden.

Richtig gelesen: Die niederländische Stiftung „Mars One“ sucht ab sofort Bewerber für eine Mission, in deren Verlauf eine Marskolonie aufgebaut werden soll. Im Abstand von zwei Jahren sollen jeweils weitere Kandidaten und Material folgen; die Fortschritte während der Reise und vor Ort sollen ähnlich wie bei „Big Brother“ im Fernsehen übertragen werden. Finanziert wird das ca. 6 Milliarden Dollar teure Projekt durch die Übertragungsrechte und Spenden.

Eine Rückreise der Kandidaten ist nicht vorgesehen. Wer einmal dort ist, bleibt auch dort. Bas Lansdorp, der Mitbegründer von Mars One, begründet dies damit, dass der menschliche Körper sich nach dem langen Flug und dem Aufenthalt auf unserem Nachbarplaneten nicht wieder an die Schwerkraft der Erde anpassen könne. [1]

Ich persönlich halte diese Begründung spontan für nicht ganz plausibel, denn man könnte die ca. achtmonatige Rückreise durch entsprechend konzipierte Raumfahrzeuge durchaus dazu nutzen, den Körper sukzessive wieder auf die Schwerkraft der Erde vorzubereiten. Auch dem vorhergesagten Muskel- und Knochenschwund kann man durch Sport entgegenwirken. Denkbar wäre eher, dass irgendwann das Immunsystem schlapp macht, je nach Gesamtdauer der Reise. [2] Wie das Beispiel von Valeri Poljakow zeigt, wäre jedoch eine Rückreise nach kurzem Aufenthalt höchstwahrscheinlich sehr wohl möglich. Poljakow ist mit über 14 Monaten an Bord der „MIR“ Rekordhalter für den längsten Aufenthalt in Schwerelosigkeit. Er hat trotz einer Übergangsphase mit gewissen körperlichen und psychischen Anpassungsschwierigkeiten offenbar keinerlei bleibende Schäden davongetragen. [3]

Wie man dem BBC-Artikel entnehmen kann, sind einige Experten dennoch skeptisch, was Mars One angeht. Insbesondere die stark schwankenden Temperaturen, die Abwesenheit von flüssigem Wasser und das Strahlungslevel empfindet Dr Veronica Bray von der Universität Arizona als problematisch.[1] Dies deckt sich mit jüngsten Berichten, dass (wenig überraschend…) stärkere Strahlungseinwirkung mit einem erhöhten Krebsrisiko einher geht. [4] Um dem entgegen zu wirken, sollen die Habitate auf dem Mars mit einigen Metern Erde bedeckt werden. Den Ausblick auf die Marslandschaft werden die Kolonisten also wohl nur in Raumanzügen außerhalb ihrer Wohnkapseln genießen können.

Auch von Seiten einiger Astronauten gibt es Bedenken. Sie betreffen vor allem die langfristige Funktionstüchtigkeit der Lebenserhaltungssysteme. Dennoch heißt es über NASA-Astronaut Stan Love:

„Although dubious about the funding, the technology and the impact of radiation, Love applauds small enterprises like Mars One.

He strongly believes private organisations will help raise awareness and hopefully discover or design some technology which will help future teams reach their goal of landing on Mars.“

(Quelle: „Applicants wanted for a one-way ticket to Mars„)

Ich persönlich bin jedenfalls sehr gespannt, wie es mit Mars One weitergeht. Vermutlich wird dies die erste Reality-Soap, die ich mir freiwillig ansehe. Falls sie denn zustande kommt.

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[1] http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-22146456
[2] http://www.kommunikation.uzh.ch/publications/magazin/magazin-12-1/Magazin-2012-1-18.pdf
[3] http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/001401398186991
[4] http://explore.georgetown.edu/news/?ID=70072&PageTemplateID=295