Experiment BODYFLUIDS-INTERSTITIUM

Der Kreislauf des Menschen funktioniert nur unter dem ausgewogenen Zusammenwirken von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren wie Blutvolumen, Herz- und Gefäßeigenschaften, Nervensystem und Hormonwirkungen. Praktisch alle diese Faktoren ändern sich im schwerelosen Zustand. Die dadurch auftretenden Veränderungen kommen den Folgen längerer Bettlägrigkeit nahe, wie sie z. B. nach Operationen, bei Bewußtlosen oder verschiedenen neurologischen Erkrankungen auftreten können. Raumfahrtphysiologische Untersuchungen dienen daher als Modell für die Lösung klinischer Probleme, abgesehen vom Erkenntniswert als Basis für ein besseres Verständnis unseres Organismus und seiner Funktionen.

Für die Stabilität des Blutdrucks ist die aufrechte Körperhaltung eine Herausforderung: Die Schwerkraft führt zu einer Umverteilung des Blutvolumens in Körperregionen unterhalb des Herzens, was dessen Auswurfleistung stark reduziert. Stehen und Sitzen haben damit aber auch einen wichtigen Trainingseffekt auf den Kreislauf, ohne den die Stabilität des Blutdrucks in aufrechter Körperhaltung rasch (innerhalb von Tagen) abnimmt. Dann kann der Kreislauf überfordert sein und ein Zustand der "Synkope" auftreten, d.h. das Gehirn wird nicht ausreichend durchblutet und es kommt zur Bewußtlosigkeit und ein "orthostatischer Kollaps" tritt auf – ein ernstes Problem sowohl für Patienten wie für Astronauten, wenn sie nach Aufenthalt in der Schwerelosigkeit wieder der Gravitationsbeschleunigung der Erde oder eines anderen Himmelskörpers ausgesetzt sind.

Mit dem Prinzip des "lower body negative pressure" (LBNP) ist es möglich, mittels Unterdruck an der unteren Körperhälfte Blut in ähnlicher Weise vom Herzen umzuverlagern wie bei aufrechter Körperhaltung unter Schwerkrafteinwirkung. Somit kann Kreislauftraining auch im schwerelosen Zustand erfolgen, und diese Methode wird tatsächlich zum Kreislaufraining vor der Rückkehr zur Erde (oder in Zukunft wohl auch vor einer Marslandung) eingesetzt. Im Experiment "Bodyfluids" wurde dieses Instrument zusätzlich zur physiologischen Grundlagenforschung verwendet und u. a. der Flüssigkeitsaustritt in das Gewebe studiert, wie er im Stehen auch normalerweise auftritt.

Forschungsziel

Die Zielsetzung des Experiments „Bodyfluids – Interstitium“ ging in mehrere Richtungen:

Untersuchung hormoneller Regulationsmechanismen, des Verlusts an Blutvolumen durch Einwirken von kreislaufwirksamen Reizen, und die Zusammensetzung von Flüssigkeiten, die zwischen den feinsten Austauschgefäßen (Kapillaren und kleine Venolen) einerseits, und vom Interstitium zurück zum Blut andererseits betreffen (Lymphflüssigkeit). Die Bildung von Lymphflüssigkeit spielt übrigens auch im Zusammenhang von Ödementstehung oder Gewebeaustrocknung eine entscheidende Rolle. (Die Lymphgefäße sind ein spezielles Drainagesystem, dessen Aufgabe es ist, den geringgradigen Verlust von Filtrat und Eiweiß ins Gewebe durch Rücktransport zum Blut zu kompensieren.)

Im Experiment wurden Blutproben entnommen, um die erwähnten Phänomene indirekt – über Veränderungen der Blutzusammensetzung - zu studieren. Änderung von Hormonkonzentrationen im Blutplasma des Kosmonauten geben Auskunft über die Art und Weise, wie Kreislaufbelastung von den physiologischen Regelsystemen des Körpers beantwortet wird – und geben damit auch Aufschluß über die Kreislauf-Fitness des Menschen in der Schwerelosigkeit.

Funktionsweise, Meßprinzip

Die russische Unterdruckhose TSCHIBIS (Kiebitz). Foto: BMBWK, Wien Zur exakten Kreislauftestung sind präzise und reproduzierbare Reize notwendig. Daher wurde im Experiment die russische LBNP-Unterdruckhose "TSCHIBIS" eingesetzt. Diese erzeugt einen Sog an den Beinen, welcher Blut aus oberen in untere Körpergebiete umlagert und dadurch einen ähnlichen Kreislaufzustand (geringere Füllung des Herzens) verursacht wie aufrechtes Stehen unter Schwerkrafteinwirkung. Im Experiment "BODYFLUIDS-INTERSTITIUM" wurde diese - als LBNP (lower body negative pressure) bezeichnete – Maßnahme als definierter Reiz zur Kreislaufbelastung eingesetzt. Eine österreichische Besonderheit war das Meßgerät "PROTEINOMETER", welches die Schallgeschwindigkeit in Blut- und Plasmaproben bestimmt. Die Schallgeschwindigkeit (wie die Massendichte) ist proportional zur Eiweißkonzentration und damit auch zum Anteil an roten Blutkörperchen am Volumen der gesamten Blutprobe ("Hämatokrit"). Da die im Experiment auftretenden Veränderungen extrem klein sind, war die Anwendung einer besonders präzisen Meßmetzhode notwendig.

Die Blutzentrifuge PLASMA-01, die an Bord der Raumstation MIR zum Einsatz kam. Foto: Univ.-Prof. Dr. Helmut Hinghofer-Szalkay, Graz Jeder LBNP-Versuch erfolgte unter Verwendung der Unterdruckhose "Tschibis" mit folgendem Protokoll: 15 Minuten bei -15 mm Hg, 15 Minuten -30 mm Hg und 10 Minuten -35 mm Hg.

Die Blutabnahmen erfolgten zu folgenden Zeitpunkten: 10 Minuten vor Beginn von LBNP, 3 Minuten nach Beginn von LBNP, sowie 2 Minuten nach Beendigung von LBNP (Minute 42). Es wurden jeweils 20 ml Blut abgenommen und zwar in zwei 10 ml Spritzen, von denen eine Heparin und die andere EDTA zur Antikoagulation der Blutproben enthielt.

Die Aufarbeitung der Blutproben resultierte in der Gewinnung von 2 ml-Plasmaproben, die anschließend bei -25°C gelagert wurden. Zusätzlich wurden jeweils 2 ml Blut in eine heparinisierte Spritze gezogen, sowohl zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mittels des Proteinometers, als auch der Messung des Hämatokrit herangezogen. Anschließend wurden die aus der Zentrifugation gewonnenen Blutplasmaproben ebenfalls mit dem PROTEINOMETER vermessen.

Die Bearbeitung der Blutproben erfolgte mit dem Gerätekomplex "PLASMA-02". Dazu gehören folgende Komponenten:

Der Bordkühlschrank KRYOGEM-02 für die Raumstation MIR. Aus Energiespargründen wurde diese Apparatur nur für einige Tage – von der Gewinnung der Blutproben bis zum Verpacken der tiefgefronenen Plasmaproben in den Thermos-Container – eingeschaltet. Foto: Univ.-Prof. Dr. Helmut Hinghofer-Szalkay, Graz
  1. eine Spezialzentrifuge, die sequentiell die Trennung von Blutkörperchen und Plasma und in einem zweiten Abschnitt die Trennung von Luft und Plasma erlaubt;
  2. ein Kühlschrank, der das Einfrieren und Speichern der Proben bei -25°C ermöglicht;
  3. ein thermoisolierendes Kühlgefäß zum Transport der tiefgefrorenen Proben auf die Erde.
Alle für die Blutabnahme notwendigen Komponenten waren in dem Blutabnahmeset "VENE" enthalten. Die Bestimmung des Mikrohämatokrit erfolgte mit der Zentrifuge "KOMPUR-1100".

Für den Versuch nahm sich der Kosmonaut mit dem Blutabnahmeset "VENE" mehrmals selbst einige Milliliter Blut ab, das einerseits direkt vermessen wurde, und aus dem andererseits Blutplasma gewonnen wurde, das anschliessend in gefrorenem Zustand zur Erde gebracht, unter Beteiligung der AUA nach Österreich transportiert und dort weiter untersucht wurde.

Mitverwendete Apparaturen der österreichischen Nutzlast

MONIMIR

Ergebnisse

Im Experiment wurden Daten an einem Kosmonauten vor und während eines Weltrekord-Langzeitfluges (14 Monate Dauer) sowie der Rückanpassung an irdische Schwerkraft (3 Monate nach dem Flug) gewonnen.

Die Ergebnisse der Schallgeschwindigkeitsmessung waren schwer interpretierbar, da das Gerät "PROTEINOMETER" ursprünglich nur für einen einmaligen Gebrauch gedacht war (Vorgabe der Projektleitung "AUSTROMIR-91"), dann aber das ohnehin an Bord der Raumstation MIR befindliche Gerät später auf Wunsch der russischen Seite für RLF reaktiviert werden sollte. Wäre die Fortsetzung des Experiments von vorne herein eingeplant gewesen, hätte man entweder eine Reinigung des Gerätes nach Einfüllen von Blut- und Plasmaproben vorgesehen oder ein grundsätzlich anderes Meßprinzip (Massendichtemessungen nach dem Biegeschwingerprinzip – vgl. Hinghofer-Szalkay, J Appl Physiol 1986; 60: 1082-8) zum Einsatz gebracht - wie das auch ursprünglich für AUSTROMIR-91 geplant war, da der Biegeschwinger wesentlich leichter zu reinigen ist als das speziell für den einmaligen Einsatz im Weltraum konstruierte PROTEINOMETER mit Metallkammern und einem Doppelzylinder-Befüllsystem. Ein nachträglich auf die Raumstation überbrachter, eigens gestalteter Reinigungs-Kit konnte die durch den lange vorher erfolgten AUSTROMIR-Meßvorgang bedingten Verunreinigungen nicht mehr ausreichend auflösen, um verläßliche Messungen zu ermöglichen.

Hingegen waren die endokrinologischen Messungen – 45 Tage vor dem Flug, an den Flugtagen 3, 170, 287 und 430, sowie 4 und 90 Tage nach der Landung – durchwegs erfolgreich. Es wurden die Hormone Aldosteron, Noradrenalin, Adrenalin, ANP99-126 (atriales natriuretisches Peptid), ACTH (adrenokortikotropes Hormon), Kortisol und Vasopressin, der Mediatorstoff cGMP (zyklisches Guanosin-Monosphosphat) sowie die Plasmarenin-Aktivität (PRA) erfaßt. Auf diese Weise konnten Veränderungen der "Signalaktivität" der Hirnanhangdrüse, des Herzens, der Niere, der Nebenniere sowie der sympathischen Nervenfasern als Antwort auf den verwendeten LBNP-Standardreiz abgeschätzt werden.

Im Folgenden werden diese Antworten des Kosmonauten auf LBNP beschrieben und die gefundenen Werte zur Orientierung mit Normalwerten verglichen:

Katecholamine

Diese Hormone erhöhen die Aktivität verschiedener Körpersysteme und steigern die Kampf- oder Abwehrbereitschaft. Der physiologische Konzentrationsbereich für das streßabhängige Stoffwechselhormon Adrenalin beträgt 30-85 pg/ml. Im Experiment zeigten sich starke Anstiege des Adrenalins zu den selben Zeitpunkten wie bei Noradrenalin (170. und 287. Flugtag, sowie 4 Tage nach der Landung). Am 3. und 430. Flugtag, sowie 90 Tage nach der Landung konnten hingegen keinerlei Abweichungen von der physiologischen Norm festgestellt werden. Wie auch in Laboruntersuchungen wurde keine ausgeprägte Reaktion auf LBNP beobachtet, da dies keinen psychologischen Stress hervorruft.

Der Normbereich für den "Sympathikusstoff" Noradrenalin liegt bei 185 -275 pg/ml Plasma. Alle von uns gemessenen Werte überstiegen dieses Niveau, insbesondere am 170. und 287. Flugtag, sowie 4 Tage nach der Landung. LBNP führt zwar immer zu einer raschen und starken Steigerung des Plasma-Noradrenalins, aber die gemessenen Werte legen eine zusätzliche starke Aktivitätserhöhung des sympathischen Nervensystems und/oder eine verlangsamte Entfernung von Noradrenalin aus dem Kreislauf nahe. Die Ursache dieser beobachteten Irregularität ist unbekannt.

Streßabhängige Hormone

Für ACTH – das adrenokortikotrope Hormon, einen Signalstoff des Gehirns, der die Bildung von Kortisol anregt – besteht ein ausgeprägter zirkadianer Rhythmus mit Spitzenwerten morgens und niedrigsten Werten abends, wobei die Konzentrationswerte sich um einen Faktor 15:1 unterscheiden. Alle gefundenen ACTH-Werte im Flug waren im physiologischen Bereich, d.h. zwischen 5 und 80 pg/ml. Die LBNP-Reaktionen waren uneinheitlich und nicht stark ausgeprägt, was mit dem pulsatilen Charakter der Hormonausschüttung zusammenhängt. Die stärkste Reaktion des ACTH wurde 4 Tage nach der Landung festgestellt.

Der Normbereich für das klassische Streßhormon Kortisol (maximale Werte am Morgen, minimale am Abend, Verhältnis 5: 1) liegt bei 10 -200 ng/ml Plasma, mit einem Tagesdurchschnittswert von 60 ng/ml. Während der Versuche, die an den 170., 287. und 430. Flugtagen durchgeführt wurden, lag die Kortisolkonzentration im oberen Bereich oder darüber. Während LBNP sank der Wert des Kortisols durchgehend, was als typisch anzusehen ist. Messungen des freien Kortisols in Serum und im Speichel konnten leider nicht durchgeführt werden. Dies wäre interessant, da sich die Kortisolwerte hier stressabhängig stark und schnell verändern.

Herzhormone

Das Herz ist in der Lage, auf Überdehnung Hormone freizusetzen, welche die Volumenbelastung wieder senken. Der physiologische Bereich der Konzentration des volumenreduzierenden atrialnatriuretischen Peptids (ANP) bewegt sich zwischen 5 -80 pg/ml. Die ANP-Konzentration sank im Verlauf des LBNP-Versuchs beständig: von 171 auf 135 ng/ml in der Preflightphase bis auf 4,9 ng/ml zu Ende des Fluges. Die Wechselbeziehung der Langzeitadaption der Hämodynamik und der hormonellen Regulierung könnte dieses Phänomen erklären (der zentrale Venendruck nimmt sofort mit dem Eintritt in die Schwerelosigkeit ab). Nach der Landung war der ANP-Wert höher als während des Fluges. Der LBNP-Versuch rief von Seiten des ANP in verschiedenen Phasen des Experimentes unterschiedliche Reaktionen hervor.

cGMP wurde als „zweiter Botenstoff“ nach ANP-Einwirkung an entsprechenden Zielzellen ursprünglich als ein eher redundanter, das ANP begleitender Parameter angesehen. Ein völlig unerwartetes Phänomen trat durch das Experiment BODYFLUIDS zutage: im Vergleich mit den Ergebnissen der Preflightphase war die Konzentration schon wenige Tage nach Beginn des Fluges bedeutend reduziert, und alle folgenden Werte, einschließlich des 4. Postflighttages, waren bis an die Grenze der Sensibilität der Methode erniedrigt. Das kann auf eine verringerte Aktivität der second messenger–Mechanismen hinweisen und würde einen bisher unbekannten zellphysiologischen Effekt des Langzeitfluges darstellen. Vielleicht steht eine reduzierte Proteinkinase-Aktivität mit verlangsamten Synthesevorgängen in Immunzellen in Zusammenhang. Weitere Untersuchungen während Lanzeitflügen wären notwendig, um die Befunde zu bestätigen und mechanistische Erklärungsmöglichkeiten zu überprüfen.

Renin-Aldosteron-System

Aldosteron, das lebenswichtige "salzsparende" und volumenwirksame Hormon, ist zirkadianen Rhythmen unterworfen (die höchste Konzentration findet sich am Morgen, die niederste untertags, im Verhältnis 3:1), der physiologische Bereich reicht von 20 -300 pg/ml. Die von uns erlangten Resultate befanden sich in diesem Bereich, es waren weder reguläre Muster der Ruhewerte noch deutliche LBNP-Reaktionen zu erkennen.

Die Plasma-Renin-Aktivität (PRA) – ein Maß der enzymatischen Aktivierung durch die Nieren – sollte eigentlich an Blutproben ermittelt werden, die im Labor nach einer definierten Ruhephase gewonnen werden, wobei der Proband nicht unter der Einwirkung von Medikamenten stehen darf. Unter diesen Bedingungen liegen die Werte in der Regel im Bereich zwischen 0,2 -2,5 ng/ml/h (infolge physischer Betätigung erhöhen sich die PRA-Werte bis zu 4 mal). Natürlich können im Weltraum solche Laborbedingungen nicht eingehalten werden. Dennoch lagen alle von uns beobachteten Werte, auch die LBNP-bedingte Steigerung, in einem Bereich, der als für gesunde Testpersonen typisch gilt. Auffallend war nur ein starker Anstieg der PRA (von 7,2 auf 9,6 ng/ml/h) am 4. Tag der Postflightphase, was auf eine erhöhte Empfindlichkeit (gestiegener gain) der Kreislaufregulation durch die hohe allgemeine Belastung der frühen Postflight-Phase hinweist.

Vasopressin

Das osmoregulatorisch wirksame ("Wassersparhormon"), in Extremsituationen auch direkt gefäßwirksame Peptidhormon Vasopressin (antidiuretisches Hormon, AVP) weist normalerweise eine Plasma-Konzentration von 1 -5 ng/ml auf (im euhydrierten Zustand - am Morgen können die Werte höher sein). Nicht immer befanden sich die von uns registrierten Werte in diesem Rahmen; während der LBNP-Versuche erhöhten sie sich, insbesondere im 9. Flugmonat (+240%), was von einer vergleichsweise starken Reizung spricht, da eine schwache orthostatische Belastung zu keiner Änderung des Vasopressins führt. Im Laufe des Flugs nahm der AVP-Spiegel zu. Schwer erklärlich ist die Beobachtung vom 3. Flugtag, daß A VP wie auch Aldosteron, PRA und ANP während LBNP-Einwirkung reduziert gefunden wurden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß es während dieses bisher längsten Raumflugs eines Menschen – entgegen den Erwartungen – nicht zu einer konsistenten Veränderung der hormonellen Antwortmuster auf LBNP als normierte Kreislaufbelastung gekommen ist. Dieses Ergebnis läßt den Schluß zu, daß auch lange Missionen (wie zum Mars) zumindest in diesem Teilsystem nicht notwendigerweise zu einer Einbuße der regulativen Fähigkeiten des Organismus führen. Zu weiteren Details der einzelnen Antwortmuster siehe Hinghofer-Szalkay u. Ma., Aviat Space Environ Med 1999; 70: 1-5.

Technische Daten

Für das Experiment BODYFLUIDS-INTERSTITIUM wurden das Gerät PROTEINOMETER und das Blutabnahmeset VENE benötigt.

Gerät PROTEINOMETER

Das Gerät PROTEINOMETER ermöglichte die Bestimmung des Eiweißgehaltes im Vollblut und im Plasma durch die Messung folgender Parameter:

Das Gerät PROTEINOMETER. Foto: BMBWK, Wien
  • Schall-Laufzeit durch die Biomaterialprobe (0 - 400 µs)
  • Temperatur der Biomaterialprobe (10 - 40 °C)
Die Energieversorgung des Gerätes erfolgte autonom durch einen Batteriesatz mit einer Spannung von 9V.

Bedienungselemente:
  • Netzschalter
  • Starttaste für Blutmessung
  • Starttaste für Blasmamessung
  • Anzeigenelemente:
  • LCD-Display
Masse: max. 1,4 kg
Abmessungen: 200 mm x 175 mm x 75 mm

Blutabnahmeset VENE

Das Blutabnahmeset beinhaltet folgende Verbrauchsmaterialien zur intravenösen Blutabnahme und ist in einem Lederfutteral verpackt:

Das Blutabnahmeset VENE. Foto: BMBWK, Wien
  • Spritzen verschiedener Größen (22 Stück)
  • Eprouvetten verschiedener Größen (24 Stück)
  • Butterfly-Kanülen (8 Stück)
  • Kompressionsbinden (2 Stück)
  • Tupfer (8 Stück)
  • Desinfektionstupfer (4 Stück)
  • Leukoplast (4 Stück)
  • Klebeband
  • Abfallsack
  • Schlauchklemme
Masse: max. 1,2 kg
Abmessungen: 300 mm x 250 mm x 100 mm

Experimentatoren

Univ.-Prof. Dr. Thomas Kenner (Institutsvorstand)
Univ.-Prof. Dr. Helmut Hinghofer-Szalkay (Projektverantwortlicher)
alle: Physiologisches Institut der Universität Graz

Dr. Viktor Noskov
alle: IMBP (Institut für Biomedizinische Probleme), Moskau

Univ.-Prof. Dr. Richard Kvetnansky
alle: Slowakische Akademie der Wissenschaften, Institut für Experimentelle Endokrinologie, Bratislava