Weltraumphysiologie
Leitung: Prof. Dr. med. Jörn Rittweger

Komplexe metabolische Bilanzstudien



Was versteht man unter Metabolischen Bilanzstudien in der Humanforschung?

Im Zell- oder Tierversuch kann zur Erforschung von Veränderungen im Organismus die Zelle oder das Tier untersucht und bei Bedarf sogar seziert werden. Wie aber können wir Veränderungen im menschlichen Organismus als Reaktion auf eine vorgenommene Maßnahme erfassen? Wir führen zu diesem Zweck Metabolische Bilanzstudien durch. Dabei werden die für den zu untersuchenden Prozess charakteristischen Stoffe (Parameter), die aus den Zellen ins Blut gelangen oder über die Haut, Speichel, Urin oder Fäzes ausgeschieden werden, bestimmt. Um eine Bilanz erstellen zu können, muss außerdem vollständig erfasst werden, was in den Organismus hinein gelangt. So wird alles, was von der Versuchsperson aufgenommen wird (Nahrung und Getränke) strengstens kontrolliert und dokumentiert. Auch andere äußere Einflussfaktoren können den Bestand bestimmter Elektrolyte beeinflussen. So werden in unseren Experimenten auch die Raumtemperatur, die Luftfeuchte und die Licht-Dunkelzeiten genau festgelegt und über den Experimentzeitraum konstant gehalten. So können Bilanzen erstellt werden, die eine Aussage darüber zulassen, was metabolisiert (verstoffwechselt) und dann wieder ausgeschieden bzw. eventuell im Körper eingelagert wurde.

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Wie führen wir diese Metabolischen Bilanzstudien durch?

Die Studien werden in der institutseigenen Arbeitsmedizinischen Simulationsanlage (AMSAN) durchgeführt. In diesem Stoffwechsellabor befinden sich auf 300 m² neben Versuchsräumen, Labor, Küche und Aufenthaltsraum Badezimmer und Schlafräume für bis zu acht Probanden. Für unsere Bilanzstudien ist es wichtig, dass das AMSAN eine von der Außenwelt isolierte Versuchseinrichtung ist, in der Luftfeuchte und Temperatur stets konstant gehalten werden können.

Die Ernährung, insbesondere die Energie-, Kalzium- und Vitamin D-Versorgung wie auch der Verzehr von Kochsalz und Eiweiß beeinflussen in unterschiedlicher Weise den Knochenstoffwechsel und spielen für unsere Fragestellungen eine entscheidende Rolle. Daher müssen Schwankungen in der Zufuhr dieser Nährstoffe während einer Studie ausgeschaltet werden und je nach Fragestellung, die Zufuhrmenge eines einzelnen, zu untersuchenden Nährstoffs unter strengster Kontrolle erhöht oder erniedrigt werden. Die Zufuhr an Kalzium, Vitamin D, Kochsalz und Eiweiß wird dem jeweiligen Studiendesign entsprechend im Untersuchungszeitraum für jeden Probanden täglich individuell berechnet und konstant gehalten. Daher erhalten die Probanden in den Metabolischen Bilanzstudien aufs Gramm abgewogene Mahlzeiten, die vollständig verzehrt werden müssen. Einige Substanzen wie Kalzium und Elektrolyte werden mit dem Urin und den Fäzes ausgeschieden. Daher werden außer den Untersuchungen von Blutproben auch die täglichen Urin- und Fäzesabgaben gesammelt und im Biochemischen Labor analysiert. Sogar die Ausscheidung über die Haut kann durch das Tragen von Ganzkörperanzügen aus Baumwolle erfasst werden. Durch das Auswaschen der Wäsche mit entionisiertem Wasser können bestimmte Elektrolyte, die über die Haut verloren gehen, nachgewiesen werden ('Total Body Wash Down Method') .

Beispiele für metabolische Bilanzstudien

Salty Life 6 und Salty Life 7 Studie

In Salty Life 6 und 7 haben wir die Natriumregulation, den Knochenstoffwechsel und den Säure-Basen Haushalt in aufrechter Körperposition (SL6) und in Kopftieflage (SL7) untersucht. Der Säure-Basen Haushalt ist ein wichtiges Regulationssystem unseres Organismus mit dem Ziel, dass Gleichgewicht zwischen Säuren und Basen konstant zu halten (Messgröße dafür ist der pH-Wert im Blut). Bereits kleine Schwankungen des Blut-pH-Wertes können zu Veränderungen von Zell-, Organ- und Körperfunktionen bis zum Multiorganversagen führen.
Nicht nur eine hohe Kochsalzzufuhr, sondern auch andere Bestandteile des heutigen Essverhalten der Bevölkerung in den westlichen Industrienationen bringen das Risiko einer Säurebelastung mit sich (viel tierisches Eiweiß, wenig Obst und Gemüse) und führen zu einer sogenannten latenten metabolischen Azidose. Dies ist ein chronischer Zustand, der durch eine geringfügige Verschiebung des pH-Wertes innerhalb des Normbereiches (7,35-7,45) zum Sauren hin mit einer gleichzeitigen Abnahme der Pufferkapazität des Blutes gekennzeichnet ist. Es sind keine klinischen Symptome erkennbar, jedoch werden weitere Systeme des Organismus belastet, die bemüht sind, die systemische Pufferkapazität zu erhöhen um den pH-Wert konstant zu halten – so auch der Knochen.
Die Salty Life 6 Studie dauerte 28 Tage und wurde in 4 Studienphasen mit unterschiedlicher Kochsalzzufuhr unterteilt. Während der ersten sechs Tage erhielten die Probanden eine Zufuhr von 0,7 mmol NaCl/kg KG/Tag, in den nächsten sechs Tagen 2,8 mmol NaCl/kg KG/Tag, in den darauf folgenden 10 Tagen 7,7 mmol NaCl/kgKG/Tag und in den letzten sechs Tagen wiederum 0,7 mmol NaCl/kgKG/Tag.
Die Salty Life 7 Studie wurde im randomisierten cross-over Design durchgeführt und untergliederte sich in zwei Experimentteile. Jeder Experimentteil beinhaltete 22 stationäre Studientage und wurde in eine 4-tägige Adaptationssphase (aufrecht und 2,8 mmol NaCl/kg KG), eine 14-tägige Interventionsphase (Kopftieflage und 0,7 mmol NaCl/kg KG oder 7,7 mmol NaCl/kg KG) und eine 3-tägige Erholungsphase (aufrecht und 2,8 mmol NaCl/kg KG) unterteilt. Jeder Proband absolvierte im cross-over Design beide Experimentteile.
In diesen Untersuchungen haben wir nicht nur zeigen können, dass eine hohe Kochsalzzufuhr bei ambulanten Probanden (Salty Life 6) zu einem verstärkten Knochenabbau führt, sondern auch, dass eine hohe Kochsalzzufuhr den durch Immobilisation bedingten Knochenabbau noch verstärkt (Salty Life 7). Gleichzeitig beobachteten wir in beiden Studien eine Abnahme der Pufferkapazität im Blut - eine latente metabolische Azidose verursacht durch die erhöhte Kochsalzzufuhr. Veränderungen im Säure-Basen Haushalt könnten demzufolge die Ursache für Knochenmasseverluste bei erhöhter Kochsalzzufuhr sein. Diese Hypothese und mögliche Gegenregulationsmechanismen bearbeiten wir derzeit in der Salty Life 8-Studie.
Hinsichtlich der Natriumregulation konnten wir in beiden Studien zeigen, dass es bei hoher Kochsalzzufuhr zu einer Natriumspeicherung ohne ausgleichende Wassereinlagerung kam. Natrium wurde in der Salty Life 6 Studie vorwiegend osmotisch inaktiv gespeichert. In der Salty Life 7 Studie ging die hohe Kochsalzzufuhr zum Teil mit einer gestiegenen Kaliumausscheidung einher, was eine Natriumspeicherung mit einem intrazellulären Kaliumaustausch erklären könnte.

Salty Life 8 Studie

In vorangegangenen Salty Life Studien wurden neben den Wirkungen einer erhöhten Kochsalzzufuhr auf den Knochenstoffwechsel auch Veränderungen im Säure-Basen Haushalt festgestellt. Eine Abnahme der Pufferkapazität (latente metabolische Azidose), wie sie in Salty Life 6 und Salty Life 7 durch Kochsalz erzeugt wurde, führt in in vitro und in vivo Experimenten zu Knochenmasseverlusten. Basierend auf diesen Beobachtungen stellt sich die Frage, ob eine latente metabolische Azidose als Ursache für die gesteigerte Knochenresorption bei erhöhter Kochsalzzufuhr gesehen werden kann. Wenn dies der Fall wäre, müsste bei erhöhter Kochsalzzufuhr die gleichzeitige Gabe eines alkalischen Mineralsalzes über eine Erhöhung der Pufferkapazität des Blutes die gesteigerte Knochenresorption mindern können.
Diese Hypothese untersuchen wir derzeit in der Salty Life 8-Studie, einer 32-tägigen, stationären metabolischen Bilanzstudie an acht männlichen, gesunden Probanden im AMSAN. Auf die 5-tägige Adaptationsphase folgt die 10-tägige Interventionsphase in der die Probanden eine hohe Kochsalzzufuhr über die Nahrung bekommen, welche im cross-over Design mit der Gabe eines alkalischen Mineralsalzes ergänzt wird.

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