Wie Bettruhe und Radfahren in künstlicher Schwerkraft getestet werden, um die bemannte Raumfahrt zu unterstützen

Zwei Monate lang werden 12 Personen aus Frankreich in einen „zwangsweise zurückgelehnten Lebensstil“ versetzt, um die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf Astronauten zu untersuchen und zu untersuchen, ob Radfahren in künstlicher Schwerkraft die negativen Auswirkungen der bemannten Raumfahrt auf den Körper bekämpfen kann. Die Bedrest with Artificial Gravity and Cycling Exercise (BRACE) wird von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der französischen Weltraumorganisation (CNES) geleitet und ist die erste Bettruhestudie mit Radfahren in Europa.

Das Projekt verzeichnete 3.000 Interessensbekundungen von Freiwilligen in Frankreich, aber nach einem umfassenden Auswahlverfahren wurden 12 Personen ausgewählt, die sich derzeit auf 60 Tage im Bett vorbereiten, wobei eine Schulter immer die Matratze berührt und sechs Grad unter die horizontale Linie geneigt ist mit erhobenen Füßen im Namen der Wissenschaft.

NSF traf sich mit Dr. Angelique Van Ombergen, ESA-Leiterin für Biowissenschaften bei der Erforschung von Menschen und Robotern, um zu besprechen, was BRACE ist und wie es der bemannten Raumfahrt zugute kommen könnte.

Was ist BRACE?

Da die Zahl bemannter Raumfahrtmissionen von Jahr zu Jahr zunimmt, ist die Untersuchung der physiologischen Auswirkungen der Mikrogravitation auf den menschlichen Körper für die Gesunderhaltung von Astronauten im Weltraum von entscheidender Bedeutung.

„Indem man sie so lange ins Bett legt und sie um sechs Grad nach unten neigt, löst man im menschlichen Körper Prozesse aus, die denen ähneln, die Astronauten im Weltraum zeigen“, sagte Dr. Angelique Van Ombergen.

🥱 Fällt es Ihnen heute schwer, aus dem Bett zu kommen?

🛌 12 Freiwillige verlassen das Bett zwei Monate lang nicht, nicht einmal für Toilettenpausen, beim Radfahren und beim Zentrifugieren. 🚴‍♂️🔄

Diese bahnbrechende Studie zur Bettruhe wird helfen 🧑‍🚀 und 👴: https://t.co/a4cq2yaUmB

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– ESA (@esa) 27. Mai 2023

Die Freiwilligen werden in einer von drei Kategorien teilnehmen: die ganze Zeit im Bett bleiben, im Bett bleiben, außer 30 Minuten pro Tag Radfahren, oder im Bett bleiben, außer 30 Minuten pro Tag Radfahren in der künstlichen Schwerkraftzentrifuge. Vom Essen über die Toilettenpausen bis hin zum Duschen wird alles im Liegen erledigt.

Bettruhestudien sind nicht neu, haben aber in den letzten Jahren mehr Aufmerksamkeit erregt. Tatsächlich hat die NASA im November 2021 dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Deutschland 49,9 Millionen US-Dollar zur Unterstützung weiterer Bettruhestudien zugesprochen.

Dieses neueste Projekt folgt einem ähnlichen Projekt aus dem Jahr 2019, bei dem ESA, NASA und Deutschland die erste Bettruhestudie mit künstlicher Schwerkraft abgeschlossen haben, um zu testen, ob diese einen Einfluss auf den Verfall des menschlichen Körpers im Weltraum hat. Wie bei BRACE wurden die Teilnehmer in der vorherigen Studie 30 Minuten am Tag in eine rotierende Zentrifuge mit künstlicher Schwerkraft gesetzt, um festzustellen, ob das Drehen den negativen Auswirkungen der Mikrogravitation entgegenwirken kann. Dr. Van Ombergen sagte, die vorläufigen Ergebnisse des Projekts seien nicht so vorteilhaft wie erhofft, glaubt aber, dass BRACE zu einem besseren Ergebnis führen könnte.

„Diese BRACE-Studie ist im Grunde eine Folgestudie in dem Sinne, dass wir eine Kombination aus künstlicher Schwerkraft und Radfahren im Vergleich zum reinen Radfahren untersuchen, um zu sehen, ob es einen zusätzlichen Effekt der künstlichen Schwerkraft gibt, und um besser zu verstehen, ob es einen gibt.“ „kann ein potenzieller zusätzlicher Vorteil oder Vorteil sein, um [Astronauten] vor den unerwünschten Veränderungen zu bewahren, die wir bei der Bettruhe beobachten und die einige der physiologischen Veränderungen bei der Raumfahrt nachahmen“, sagte Dr. Van Ombergen.

Freiwilliger wurde in die Kategorie „Wandfahrräder“ eingestuft. (Quelle: ESA)

Die Teilnehmer, denen die Nutzung des Fahrrads ohne künstliche Schwerkraftzentrifuge zugewiesen wurde, werden einmal täglich aus ihrem Bett geholt und radeln 30 Minuten lang auf einem an der Wand befestigten Gerät. Die Teilnehmer, die der künstlichen Schwerkraft ausgesetzt sind, werden aus dem Bett geholt, um sich in die Zentrifuge zu legen und 30 Minuten lang zyklisch zu arbeiten, während sie herumgedreht werden, um das Blut zu ihren Füßen zu treiben und so die Schwerkraft zu verdoppeln.

„Wir ermutigen Freiwillige, ihre maximale Anstrengung auf dem Fahrrad zu erreichen und dann die Auswirkungen mit denen zu vergleichen, die überhaupt nicht Fahrrad fahren“, erklärt Rebecca Billette, Leiterin der klinischen Forschung bei MEDES, dem Institut für Weltraummedizin und -physiologie in Toulouse, Frankreich .

An der Studie sind 14 verschiedene europäische Wissenschaftsteams beteiligt und sie findet in der MEDES-Weltraumklinik in Frankreich statt.

„Wir werden die Auswirkungen einer täglichen Trainingsroutine auf verschiedene physiologische Faktoren vergleichen“, fügte Billette hinzu.

BRACE-Studie beginnt in Frankreich. (Quelle: ESA)

Bettruhe und bemannte Raumfahrt

Langfristige Bettruhe gilt als wirksames Mittel, um die Reaktion des Körpers auf Schwerelosigkeit nachzuahmen. Mehrere körperliche Veränderungen während der Bettruhe sind im Raum ähnlich, wie zum Beispiel der Blutfluss zum Kopf, Flüssigkeitsverschiebungen sowie Knochen- und Muskelschwund. Nach Angaben der NASA sind die Köpfe der Astronauten mit Flüssigkeiten gefüllt, da die Schwerkraft nicht den Blutfluss zu den Beinen fördert, was zum Puffy-Head-Vogelbein-Syndrom führt.

„Wir hoffen, den Mehrwert der künstlichen Schwerkraft für die Fitnessroutine von Astronauten auf der Internationalen Raumstation (ISS) zu verstehen. Die Besatzung trainiert zwei Stunden pro Tag im Orbit. Sie [künstliche Schwerkraft] könnte eine wirksame Lösung für einen gesünderen Körper werden.“ bei Langzeit-Weltraummissionen, wenn die technologischen Herausforderungen bewältigt werden können“, sagte Dr. Van Ombergen.

Zum Lesen: Eine Gruppe von 12 Freiwilligen nimmt derzeit an der BRACE-Bettruhestudie in der Weltraumklinik @Medes_IMPS in #Toulouse teil.

Die Studie dauerte 88 Tage, davon 60 Tage im Liegen in einer Neigung von -6°, also mit dem Kopf tiefer als die Füße.

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—ESA Frankreich (@ESA_fr) 23. Mai 2023

Der Hauptvorteil der Durchführung dieser Bettruhetests auf der Erde besteht darin, dass die Kosten weitaus geringer sind.

„Wir haben viel weniger Einschränkungen und Logistik und müssen nicht an Hoch- oder Downloads oder ähnliches denken. Wir müssen nicht an die Masse denken, wir können mehr Probanden in kürzerer Zeit testen, was auch immer.“ „Natürlich ist es in der biomedizinischen Forschung wirklich wichtig. Wir können Gegenmaßnahmen testen oder validieren, die wir dann später im Weltraum testen können. Daher denke ich, dass es viele Vorteile hat, diese Bodenstudien als Grundlage für tatsächliche Weltraummissionen durchzuführen“, sagte Dr. Van Ombergen .

Obwohl Bettruhe eine gute Darstellung des menschlichen Körpers im Raum bietet, ist ihre Wirksamkeit jedoch begrenzt.

„Wenn wir Probanden auf der Erde so lange in ein Bett legen, werden ihre Knochen und Muskeln nicht mehr genutzt, und deshalb verschlechtern sie sich, aber die Schwerkraft ist immer noch da“, sagte sie. „Im Weltraum hingegen sind die Astronauten eigentlich ziemlich aktiv, aber trotzdem verschlechtern sich ihre Muskeln und Knochen, weil es keine Schwerkraft gibt, die gegen die Muskeln wirkt oder den Knochenstoffwechsel beeinflusst.“

In einer 2016 von der American Physiological Society veröffentlichten Studie mit dem Titel „Langzeitbettruhe als Analogon zur Schwerelosigkeit“ stellten die Autoren fest, dass bei Bettruhe ein größerer Teil der Körperoberfläche komprimiert wird als im Weltraum.

Der Freiwillige wird während der 60-tägigen Bettruhe strengen Tests unterzogen. (Quelle: MEDES)

„In der tatsächlichen Mikrogravitation ist die äußere Kompression aller Körperoberflächenbereiche minimal, wohingegen Bettruhe eine stärkere Kompression des Gewebes über eine größere Oberfläche des Körperbereichs erzeugt. Diese stärkere Kompression erhöht den Gewebedruck und dehydriert wahrscheinlich Bereiche, die einer Belastung ausgesetzt sind, aufgrund der größeren Interstitialität.“ in die Mikrozirkulation gelangen“, heißt es in dem Artikel.

Trotz dieser Vorbehalte sagte Dr. Van Ombergen, dass Bettruhe weiterhin ein starkes Modell zur Validierung von Technologien sei, die der bemannten Raumfahrt zugute kommen könnten.

Die Höhen und Tiefen von 60 Tagen im Bett

Die 12 Freiwilligen werden zwei Monate lang wie menschliche Versuchskaninchen behandelt und den ganzen Tag lang gestochen und gestupst, sagte Dr. Van Ombergen. ESA und CNES haben einen intensiven Prozess durchlaufen, um ihre Teilnehmer zu finden und diejenigen herauszufiltern, die möglicherweise an bestimmten neurologischen, Knochen- oder Muskelerkrankungen leiden.

Die Hauptkriterien für die Auswahl waren, dass die Freiwilligen männlich, zwischen 20 und 45 Jahre alt, in guter körperlicher Verfassung mit einem BMI zwischen 20 und 27 und Nichtraucher sein mussten.

Sobald die 60 Tage beginnen, wird jeder Teilnehmer in seine Kategorie eingeteilt: Radfahren, Radfahren mit künstlicher Schwerkraft oder Bettruhe. Während die Teilnehmer detaillierte Informationen darüber erhalten, was sie durchmachen werden, wird die Kategorie, in die sie eingeteilt werden, vollständig zufällig ausgewählt, was laut Dr. Van Ombergen psychologisch schwierig sein kann.

Künstliche Schwerkraftzentrifuge im DLR im Jahr 2019. (Quelle: DLR)

Die Teilnehmer werden einer sehr standardisierten Routine folgen, sagte Dr. Van Ombergen. „Sie werden jeden Tag zur gleichen Zeit geweckt. Sie werden ihre Mahlzeiten zur gleichen Zeit einnehmen. Ihre Mahlzeiten werden sehr standardisiert sein und sie werden an den darin enthaltenen Nährstoffen gemessen. Das müssen sie.“ Essen Sie eine bestimmte Portion dieser Nahrung, um sicherzustellen, dass sie genügend Nährstoffe erhalten“, sagte sie.

Selbst wenn sie mit dem Essen fertig sind, berechnen die Teams, was auf dem Teller übrig bleibt, um die genaueste Darstellung dessen zu analysieren, was in ihren Körper gelangt ist, was sich auf ihre Ergebnisse auswirkt.

Abgesehen von den 30 Minuten Training für die beiden Gruppen werden ihre Tage mit Tests wie Muskelbiopsien, Urinproben, Scans zur Überprüfung der Körperzusammensetzung, Datenerfassung zur Überprüfung des Blutdrucks, der Herzfrequenz, der Nährstoffaufnahme und des Energieverbrauchs gefüllt sein , Knochenmasse und Stimmung.

Die Teilnehmer erhalten ihre eigene Zeit, aber Dr. Van Ombergen versichert, dass es schwierig sein wird. Um Langeweile zu vermeiden, werden die Teilnehmer dazu ermutigt, sich Ziele zu setzen, beispielsweise das Erlernen einer neuen Sprache oder die Teilnahme an einem Online-Kurs.

Der Freiwillige wurde auf eine um sechs Grad geneigte Bettruhe gelegt, um das Gefühl der Schwerelosigkeit nachzuahmen. (Quelle: DLR)

„Aus körperlicher Sicht geht es einem bis zu einem gewissen Grad schlechter, wenn man so lange im Bett liegt, und es kann sein, dass man Belästigungen oder unangenehme Dinge bekommt, vielleicht sogar Schmerzen. Gleichzeitig wird man dazu aufgefordert.“ Nehmen Sie an allen Untersuchungen teil, die manchmal ziemlich invasiv sind oder etwas schmerzhaft sein können“, sagt Dr. Van Ombergen.

Anfang 2024 werden ESA und CNES einen zweiten Teil derselben Studie mit weiteren 12 Teilnehmern durchführen. Den Agenturen stehen dann insgesamt 24 Personen zur Analyse zur Verfügung. Das nächste Projekt wird eine weitere 60-tägige Studie in Slowenien sein, die sich auf die Kombination von Vibrationsübungen und künstlicher Schwerkraft konzentriert, erklärte die ESA.

Nach 60 Tagen werden die Teilnehmer einer 14-tägigen Erholungs- und Überwachungszeit nach der Bettruhe unterzogen. Die Studie begann am 4. April und endet Anfang Juli.

(Hauptbild: BRACE-Freiwilliger in einer künstlichen Schwerkraftzentrifuge. Bildnachweis: ESA)