Weltraumphysiologie
Leitung: Prof. Dr. med. Jörn Rittweger

Integrative Muskelphysiologie



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Die Arbeitsgruppe „Integrative Muskelphysiologie“ arbeitet auf dem Gebiet der Angewandten Physiologie und Pathophysiologie des menschlichen Skelettmuskels. Untersucht werden die Kontraktilität der Muskeln, der Energiestoffwechsel, die Durchblutung und Sauerstoffversorgung sowie die elektrische Erregung und die elektro-mechanische Kopplung. Dabei werden ausschließlich nicht invasive Methoden eingesetzt.
Ziel der Untersuchungen ist die Aufdeckung physiologischer Anpassungen des Muskels an dauerhafte Entlastung oder verschiedene Trainingsformen. Unser integrativ physiologischer Ansatz berücksichtigt dabei besonders auch die Veränderungen im Muskel, die in Zusammenhang mit dem Herz-Kreislaufsystems und dem Wasserhaushalt stehen, sowie die Wechselwirkungen zwischen Muskel und Knochen.
Einen weiteren Schwerpunkt bilden die nicht invasive Diagnose und die Therapiekontrolle von genetisch bedingten Stoffwechselerkrankungen der Muskulatur und des Nervensystems.

Schwerelosigkeit

Anpassungen der Muskulatur an die Schwerelosigkeit oder an Simulationsbedingungen mit ähnlichen Effekten:

  • Untersuchungen an Astro- und Kosmonauten vor und nach einem Aufenthalt in Schwerelosigkeit auf der ehemaligen Raumstation Mir im Rahmen der europäisch-russischen Missionen EuroMIR’94, ’95, ’95E und MIR’97.
  • Vorbereitung von neuen Experimenten, die im Rahmen von zukünftigen Mission zur ISS oder zum Mond oder Mars durchgeführt werden sollen.
  • Untersuchungen im Rahmen von Bettruhe-Studien

Training (Countermeasures)

Studien, die dem Validieren des Vibrationstrainings und des Schwungrad- (Fly-Wheel) Trainings zum Aufbau der Muskulatur und zur Verbesserung der Schnellkraft bei Personen mit geschwächter Muskulatur dienen.
Trainiert werden sowohl normal aktive, gesunde Probanden als auch Personen, bei denen lang andauernde Immobilität oder hohes Alter eine gewisse Schwächung der Muskulatur verursacht haben.
Außerdem soll untersucht werden, ob Patienten mit erblich bedingter Muskelschwäche, von einem angepassten Muskeltraining profitieren können.

Ziele im Rahmen der Raumfahrt: Verbessertes Training zum Erhalt der Muskelkraft bei verringertem Zeitaufwand im Rahmen von Langzeitaufenthalten in Schwerelosigkeit auf der ISS oder bei zukünftigen Missionen zum Mars.

Muskel — Volumenregulation und Blutkreislauf

Bei Muskelarbeit tritt aufgrund osmotischer Kräfte eine Wasserverschiebung aus dem Zwischenraum der Fasern (Interstitium) und den Blutgefäßen (Intravasalraum) in den Innenraum der Muskelfasern (Intrazellulärraum) auf. Außerdem unterliegt vor allem die Beinmuskulatur ständigen Volumenänderungen, die dem Körper etwa beim Übergang vom Liegen zum Stehen (Orthostase) durch die Schwerkraft der Erde aufgezwungen werden. Wir untersuchen, in wie weit diese Volumenverschiebungen Einfluss auf den Ionenhaushalt und damit auf die Muskelerregung haben, welche Reaktionen der Energiestoffwechsel zeigt und welche Konsequenzen sich schließlich für die Muskelkontraktion und die Ermüdung ergeben.

Die Erhöhung des Blutflusses und Blutvolumens in den Muskeln während intensiver Arbeit stellt, vor allem bei Belastung größerer Muskelgruppen, den potentiell größten Antrieb für die Erhöhung des Herz-Zeit-Volumens (Puls x Herzschlagvolumen) dar. Aus systemphysiologischer Sicht ist es deshalb wichtig bei allen Studien mit Immobilisation oder verschiedenen Trainingsreizen auch die zentralen und peripheren Kreislaufreaktionen und deren Rückwirkungen auf die Muskulatur zu untersuchen (Kreislauf- und Volumenregulation).

Muskel — Knochen und Ernährung

Wachstum und Festigkeit von Muskel und Knochen sind in vielfältiger Weise von einander abhängig. Bei allen Studien mit Immobilisation oder verschiedenen Trainingsreizen werden daher auch die Wechselwirkungen zwischen Muskel und Knochen in Bezug auf die mechanischen Kräfte, blutchemische Parameter wie z.B. Wachstumshormone und Ernährungsaspekte (Mineralien, Vitamine, Proteine, Kohlenhydrate, Fette) mit berücksichtigt (s. Arbeitsgruppe: Ernährung und Knochenstoffwechsel).

Diagnose und Therapiekontrolle bei Patienten mit neurologischen Erkrankungen

In enger Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Bergmannsheil in Bochum wurde eine neue nicht invasive Methode zur Differentialdiagnose einer bestimmten Gruppe von angeborenen Muskelerkrankungen entwickelt, die jeweils auf einem genetisch bedingten Defekt eines Enzyms des Glykogenstoffwechsels beruhen (Muskelglykogenosen). MR spektroskopische Untersuchungen sowie Genanalysen ersetzten dabei die vorher notwendigen Analysen operativ entnommener Proben an Muskelgewebe (Muskelbiopsien).
Die nicht-invasiven Methoden des Muskellabors eignen sich besonders für wiederholt durchgeführte Untersuchungen, wie sie in Therapiestudien notwendig sind. In Zusammenarbeit mit neurologischen Kliniken in Bochum und Bonn werden daher Studien an Patienten mit verschiedenen Formen genetisch bedingter Erkrankungen der Muskeln oder des Nervensystems durchgeführt.

Beschreibung des Muskellabors

Aktuelle externe Kooperationspartner

  • Europäisches Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln
  • Deutsche Sporthochschule Köln: Institut für Trainingslehre und Sportinformatik, Institut für Physiollogie und Anatomie
  • Medizinische Hochschule Hannover, Institut für Sportphysiology und Sportmedizin
  • Ruhr-Universität-Bochum: Neurologische Klinik in den BG Kliniken im Bergmannsheil, Neurologische Klinik im St. Josef Hospital
  • Neurologische Universitätsklinik Bonn

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Kreislauf- und Volumenregulation (http://www.dlr.de/me/desktopdefault.aspx/tabid-1935/2759_read-4226/usetemplate-print/)
Versuchseinrichtungen (http://www.dlr.de/me/desktopdefault.aspx/tabid-1935/2759_read-4230/usetemplate-print/)