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SARCOLAB - Ursachen des Muskelschwundes und der Muskelschwäche bei Astronauten

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  • Muscle Atrophy and Resistance Exercise System (MARES)

    Muscle Atrophy and Resistance Exercise System (MARES)

    Mit dem Muscle Atrophy and Resistance Exercise System (MARES) lässt sich dem Muskelabbau in Schwerelosigkeit entgegenwirken.

  • Training auf der ISS

    Training auf der ISS

    Mit dem Muscle Atrophy and Resistance Exercise System (MARES) lässt sich dem Muskelabbau in Schwerelosigkeit entgegenwirken

  • Menschlicher Muskel in einer Ultraschallaufnahme

    Menschlicher Muskel in einer Ultraschallaufnahme

    Der Fiederungwinkel ergibt sich aus der Richtung der Faszikel (Fa) und der Aponeurose

  • Feinschnitt%2dUntersuchung einer menschlichen Muskel%2dGewebeprobe

    Feinschnitt-Untersuchung einer menschlichen Muskel-Gewebeprobe

    Die dunkel gefärbten Fasern sind vom langsamen und die hellen vom schnellen Typ. Die Auswertung (= farbige Linien) erfolgte mit der im DLR entwickelten Software "Histometer".

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Die Gesäß- und Beinmuskulatur baut sich beim Astronauten in Schwerelosigkeit ab. Die betreffenden Muskeln verlieren dabei nicht nur an Volumen, sondern werden zusätzlich auch 'intrinsisch' schwächer. Ähnliche Beobachtungen wurden auch bei Bettlägerigen und bei alten Menschen gemacht. Man nimmt deshalb an, dass die wesentliche Ursache für den Muskelschwund im Weltraum das Fehlen von mechanischen Reizen ist - ganz allgemein könnte man somit von 'Bewegungsmangel' sprechen. Der Umstand, dass die Trainingsmethoden auf der ISS, also zum Beispiel Fahrrad-, Laufband- und Krafttraining nur teilweise wirksam sind, deutet aber darauf hin, dass die Ursachen des Muskelschwundes im All - und wohl auch auf der Erde - nicht vollständig aufgeklärt sind. Das Sarcolab-Experiment soll daher diesen Ursachen auf den Grund gehen. Dafür soll zunächst der innere Aufbau des Muskels untersucht werden.

Die Untersuchung der Muskel-'Architektur' erfolgt mit Ultraschall und gibt über die Länge und Orientierung der Fasern oder Faszikel Auskunft Ein größerer Fiederungswinkel (Muskelfasern verlaufen schräg zur Ansatzsehne) steigert die Kraft der Kontraktion und senkt ihre Geschwindigkeit. Die Messung des Muskelvolumens durch eine Kernspin-Tomographie und die Erfassung von Muskelkraft und -leistung durch eine Funktionsuntersuchung vervollständigen das Bild über den Einfluss der Muskelarchitektur auf die erwarteten Funktionseinbußen. Eine weitere mögliche Ursache könnte die Abnahme der neuronalen Reize auf den Muskel sein. Diese Einflüsse werden im Sarcolab-Experiment durch Elektrostimulation des Muskels und seiner versorgenden Nerven bestimmt. Dazu werden Muskel und Nerv gereizt und dann die mechanische Reizantwort ermittelt.

Erfahrungen aus früheren Untersuchungen auf der Erde lassen aber auch direkte Veränderungen im Muskelgewebe selber als Ursache für den Muskelschwund vermuten. Darum werden Gewebeproben untersucht, die vor und nach dem Weltraumaufenthalt aus den Beinen der Astronauten gewonnen werden. Die Entnahme erfolgt durch einen kleinen Eingriff mit örtlicher Betäubung, die sogenannte Muskelbiopsie. Mit dem gewonnen Material lassen sich Funktionsuntersuchungen auf der Ebene einer einzelnen Muskelzelle durchführen. Hierbei werden dann die Kraft und die Kontraktionsgeschwindigkeit der Faser unter bestimmten Bedingungen erfasst. Die Forscher erwarten, dass größtenteils eine verringerte Konzentration von Kontraktions- Proteinen (vor allem Aktin) für den intrinsischen Kraftverlust nach dem Aufenthalt in der Schwerelosigkeit verantwortlich ist. Die Aktin-Konzentration wird ebenso wie die Untersuchung der sogenannten Costamer-Proteine (vor allem FAK) und der zellulären Signalwege (vor allem Akt/mTOR) mit biochemischen Methoden bestimmt. Von den letzteren beiden Untersuchungen erwarten die Forscher starke Hinweise auf die ursächlichen Mechanismen des Muskelschwundes, welche die Grundvoraussetzung für die Verbesserung von Trainingsmethoden bilden. Schließlich kommen auch hochmoderne Verfahren (Proteomik, Metabolomik) zum Einsatz.

Experimentbeschreibung:

Alle Untersuchungen der Astronauten finden vor und unmittelbar nach dem Flug zur ISS sowie nochmals 14 Tage nach der Rückkehr statt. Von besonderem Interesse sind auch die Untersuchungen, die an Bord der ISS geplant sind: die Muskelfunktions- Untersuchung mit Muscle Atrophy and Resistance Exercise System (MARES) sowie die Ultraschall-Messung und die Elektrostimulation mit PErcutaneous Muscle Stimulator (PEMS).

Status:

Das Experiment Sarcolab hat 2011 begonnen und der erste Datensatz wurde in 2012 abgeschlossen. Für die kommenden Jahre sind weitere Untersuchungen geplant. Allerdings sind derzeit noch keine Messungen auf der ISS mit dem MARES möglich.

Ergebnisse:

Die Daten des ersten Astronauten wurden bereits teilweise ausgewertet. Allerdings ist es noch zu früh für eine abschließende Beurteilung.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Muskelverlust und Muskelschwäche sind mit hohem Lebensalter ebenso wie mit Bewegungsmangel und einer Vielzahl von Krankheiten verknüpft. In der Raumfahrt ebenso wie in der Medizin besteht erheblicher Bedarf an Trainings- und Rehabilitationsmethoden. Sowohl Training als auch Rehabilitation müssen dabei genau auf das zugrundeliegende Problem ausgerichtet sein. Untersuchungen der Raumfahrt-bedingten Muskelschwäche versprechen deshalb einen bedeutsamen Erkenntnisgewinn, der auf direktem und indirektem Wege der Medizin und der Trainingswissenschaft zu Gute kommt.

ISS-Zeitraum seit Herbst 2011
Unterbringung Destiny- und Columbus-Modul
Experimentator Prof. Dr. Jörn Rittweger
Einrichtung DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Köln
Bereich Humanpysiologie
Partner ESA, NASA

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 12:02:39 Uhr