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Cartilage - Morphologie und Biologie des Gelenkknorpels

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Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Mechanische Belastung durch Gravitation und körperliche Aktivität ist für uns Menschen auf der Erde für den Erhalt und die Funktion des muskulo-skelettalen Bewegungssystems entscheidend. Dabei passt sich nicht nur der aktive Bewegungsapparat (Muskeln), sondern auch der passive Stützapparat (Knochen, Knorpel, Sehnen und Bänder) an die mechanische Belastungen an. Allerdings ist diese Adaptationsfähigkeit beim Gelenkknorpel im Vergleich zu Knochen und erst recht zu Muskeln stark eingeschränkt. Dies zeigt sich zum Beispiel darin, dass sich degenerierter Gelenkknorpel - nach derzeitigem Kenntnisstand - nicht regenerieren kann. Bei einem zerstörten Gelenkknorpel ist ein künstliches Gelenk daher die einzige Therapiemöglichkeit. Chronische oder akute Überbeanspruchung kann ebenfalls zum Abbau des Gelenkknorpels bis hin zur Osteoarthrose führen.

Eine moderate Gelenkbelastung ist zur Nährstoffversorgung und für die Funktion des Gelenkknorpels unverzichtbar. Deswegen kann eine reduzierte mechanische Belastung wie bei Astronauten im Weltraum oder bei Patienten während längerer Immobilisation zu einer Schädigung des Gelenkknorpels führen. Während es zum Muskel- und Knochenabbau in Schwerelosigkeit eine Vielzahl gesicherter Erkenntnisse gibt, ist der Gelenkknorpel bei Astronauten bis heute noch nicht untersucht worden. Selbst auf der Erde gibt es zur Adaptationskapazität von Gelenkknorpel noch viele ungeklärte Fragen. In einer Studie an querschnittsgelähmten Patienten über einen Zeitraum von sechs Monaten konnte allerdings eine deutliche Abnahme der Knorpeldicke festgestellt werden.

Cartilage soll den Einfluss der Schwerelosigkeit auf den Aufbau und die Biologie des Kniegelenkknorpels der Astronauten untersuchen und einen möglichen Zusammenhang mit dem Muskelabbau herstellen.

Experimentbeschreibung:

Unmittelbar vor und nach dem Flug zur ISS sowie noch einmal vier bis sechs Wochen nach dem Flug wird der Gelenkknorpel der Astronauten mittels Kernspintomographie (Magnet-Resonanz-Tomographie, MRT) des Knies abgebildet und die Morphologie (Volumen und Dicke) erfasst. Zusätzlich werden in Blut- und Urinproben bestimmte Biomarker des Knorpelstoffwechsels wie zum Beispiel Cartilage Oligomeric Matrix Protein (COMP) nachgewiesen, um Erkenntnisse über den Stoffwechsel zu erhalten.

Status:

Das Experiment Cartilage begann mit ersten Vorfluguntersuchungen im Frühjahr 2013. Der Abschluss des Experiments wird für 2015 erwartet.

Ergebnisse:

Für das ISS-Experiment liegen noch keine Ergebnisse vor. Allerdings gibt es bereits interessante Daten derselben Arbeitsgruppe aus einer 14-tägigen Bettruhestudie. Hier konnte gezeigt werden, dass die Dicke des Knorpels am Schienbein, aber nicht am Oberschenkelknochen deutlich abnahm. Vibrationstraining, das als Gegenmaßnahme zum Muskel- und Knochenabbau getestet wurde, bewirkte hingegen einen Erhalt beziehungsweise eine Zunahme der Knorpeldicke. Allerdings liefern diese Messungen keine Aussagen über die Qualität des Knorpels.

Perspektiven für die Forschung und Anwendung:

Besonders im Hinblick auf längerfristige Aufenthalte auf der ISS oder während exploratorischer Missionen zu Mond, Mars und anderen Zielen ist das Wissen über den Effekt der Schwerelosigkeit auf den Gelenkknorpel der Astronauten und die Erarbeitung entsprechender Gegenmaßnahmen wichtig. Die Ergebnisse nützen jedoch auch dem Menschen auf der Erde: Patienten mit eingeschränkter Bewegungsfähigkeit oder Menschen in einer immer älter werdenden und sich weniger bewegenden Gesellschaft werden von Cartilage profitieren. Erfolgreiche Gegenmaßnahmen würden auch hier das Leben im Alter verbessern.

ISS-Zeitraum seit Frühjahr 2013
Unterbringung Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Gert-Peter Brüggemann, Dr. Anna-Maria Liphardt, PD Dr. Anja Niehoff
Einrichtung Deutsche Sporthochschule (DSHS) Köln
Bereich Humanphysiologie
Partner ESA, NASA

 

Zuletzt geändert am:
07.05.2014 11:18:16 Uhr