Wie reagiert das Immunsystem auf veränderte Schwerkraft?

Die Raumfahrt hat den menschlichen Körper schon immer durch die Auswirkungen der neuen Bedingungen der veränderten Schwerkraft auf biologische Systeme getestet. Es ist seit langem bekannt, dass die kontinuierliche Exposition gegenüber Mikrogravitation die menschliche Physiologie beeinträchtigt und Auswirkungen hat, die muskuläre, sensorische, endokrine und kardiovaskuläre Funktionen beeinträchtigen. Aber ist es auch riskant, für kurze Zeit der veränderten Schwerkraft ausgesetzt zu sein?

Jetzt ist ein Artikel in der Zeitschrift erschienen Acta Astronautica untersucht die Auswirkungen der durch einen Parabelflug erzeugten Mikrogravitation auf das menschliche Immunsystem. Nach einer kurzen Exposition gegenüber veränderter Schwerkraft gab es bei den Freiwilligen, die an der Studie teilnahmen, keine signifikanten Veränderungen in der Abwehrkapazität der Blutzellen. Zudem fand die Studie keine Hinweise auf Aggregationsvorgänge in den Erythrozyten – den Zellen, die O2 und CO2 zum Herz-Kreislauf-System transportieren – nach dem Parabelflug.

Die Studie wurde von Ginés Viscor, Professor an der Abteilung für Zellbiologie, Physiologie und Immunologie der Fakultät für Biologie der UB, koordiniert und umfasste die Teilnahme der Experten Jordi Petriz vom Germans Trias i Pujol Research Institute (IGTP), und Antoni Pérez-Poch von der Technischen Universität Katalonien-BarcelonaTech (UPC) und dem Institut für Weltraumstudien von Katalonien (IEEC), neben anderen Autoren. Erstautorin der Studie ist die Forscherin Abril Gorgori-González (UB).

Parabelflüge: Ein simuliertes Schwerkraftlabor

Die Raumfahrt ist das ideale Szenario, um die Auswirkungen der Mikrogravitation auf den menschlichen Körper zu untersuchen. Diese Reisen ermöglichen es, die Folgen einer Langzeitexposition in der Mikrogravitation bei verschiedenen Astronauten gleichzeitig zu untersuchen, erfordern jedoch einen hohen zeitlichen, finanziellen und infrastrukturellen Aufwand.

Ohne die Erdatmosphäre zu verlassen, ist es auch möglich, simulierte Schwerkraftbedingungen auf verschiedenen Plattformen zu simulieren. Zum Beispiel durch Parabelflüge in Flugzeugen, die es ermöglichen, den Effekt einer veränderten Schwerelosigkeit kurzfristig – auch für wenige Sekunden – zu erschwinglichen Kosten zu untersuchen.

„Künstliche Plattformen wie Parabelflüge in Flugzeugen liefern wertvolle, aber begrenztere Ergebnisse, da sie nur kurzfristig (Sekunden oder Minuten) die Untersuchung der Auswirkungen der veränderten Schwerkraft ermöglichen. Daher können die Profile physiologischer Veränderungen nachgebildet werden Parabelflüge sind unmittelbare und vorübergehende Veränderungen, die die Mikrogravitation im menschlichen Körper hervorruft“, sagt Ginés Viscor, Leiter der Arbeitsgruppe Adaptive Physiologie: Bewegung, Hypoxie und Gesundheit an der UB.

Als Teil der Studie wurde ein 20-minütiger Parabelflug mit dem Mudry CAP10-Flugzeug – einem zweisitzigen Kunstflug-Trainingsflugzeug – durchgeführt, bei dem fünfzehn Parabeln geflogen wurden. „Jede Parabel ermöglicht das Erreichen einer Phase der Mikrogravitation für etwa acht Sekunden, gefolgt von Hypergravitationsphasen von etwa zwei Sekunden“, sagt der Forscher Antoni Pérez-Poch vom Departement Informatik der UPC und Dozent der School of Engineering of Barcelona East (EEBE) der UPC und der IEEC.

Diese Parabelflüge mit einem Kunstflugzeug – eine weltweit bahnbrechende Methode, die in Katalonien entwickelt wurde – wurden vom Aeroclub Barcelona-Sabadell durchgeführt und sind das Ergebnis einer Luftfahrtforschung, die in Zusammenarbeit mit der UPC durchgeführt wurde.

„Diese innovative Technik hat ein gutes Verhältnis von in Schwerelosigkeit erreichter Zeit im Vergleich zu den Wartungskosten, was im Vergleich zum stärkeren Einsatz von Flugzeugen sehr günstig ist, obwohl es auch einige Einschränkungen (logistisch und räumlich) hat. Im Fall von Parabelflügen mit einem größeren Flugzeug, einem teureren Betrieb, der seit Beginn des Wettlaufs ins All von Agenturen wie der NASA oder der ESA (European Space Agency) eingesetzt wird, könnten bis zu 25 Sekunden pro Parabel erreicht werden“, sagt Pérez-Poch.

Immunfunktion unter Druck

Die unmittelbaren Auswirkungen der Mikrogravitation auf das Blutsystem ergeben sich aus der Umverteilung von Blutvolumen, Blutfluss und Körperflüssigkeiten zum Oberkörper. „Kardiovaskuläre Anpassungen bestehen aus einer veränderten kardiovaskulären Reaktion, die Anomalien in der Körperorientierung und im Gleichgewicht, eine schlechte Reaktion auf orthostatischen Stress, eine verminderte Herzfunktion und eine unzureichende kardiovaskuläre Reaktion auf körperliche Betätigung verursacht“, sagt Ginés Viscor.

Eines der anfälligsten physiologischen Systeme gegenüber Veränderungen der Umweltbedingungen ist das Immunsystem, was durch seine große Plastizität und Reaktionsfähigkeit auf innere und äußere Ungleichgewichte erklärt wird. In der wissenschaftlichen Literatur gibt es noch keine abschließenden Ergebnisse zur Immunantwort auf Kurzzeitexposition bei Flügen mit veränderter Schwerkraft, teilweise sind die Schlussfolgerungen sogar widersprüchlich.

In dieser Studie analysierte das Team die Reaktion des Immunsystems auf eine kurze Exposition gegenüber Mikrogravitation anhand mehrerer Parameter: Anzahl der Erythrozyten und Leukozyten, Hämoglobinkonzentration, phagozytische Kapazität und oxidativer Stoffwechsel.

„Die Ergebnisse zeigen, dass die Exposition der menschlichen Blutproben bei veränderten Schwerkraftbedingungen im Parabelflug keine negativen Auswirkungen im Vergleich zu Proben hatte, die während der experimentellen Studie parallel am Boden gelassen wurden. Es gibt auch keine signifikanten Veränderungen in der Anzahl der peripheren Blutkörperchen “, sagt Jordi Petriz (IGTP).

„Bis auf die Monozyten – eine Art Leukozyten – wurden keine signifikanten Unterschiede in der Funktionalität von Immunzellen beobachtet, weder im Hinblick auf ihren oxidativen Stoffwechsel noch auf ihre phagozytische Kapazität“, sagt Forscherin Abril Gorgori-González (UB). „Sollte es bei veränderter Schwerkraft zu Veränderungen in der Funktionalität der Leukozyten kommen, wäre hypothetisch auch die Immunfunktion und Abwehr gegen äußere Infektionen oder Tumorprozesse beeinträchtigt.“

Das Team hat die Technik der Durchflusszytometrie mit akustischer Fokussierung mit geringer Manipulation der Blutproben der Freiwilligen angewendet. Die für Kunstflugstudien typische Stichprobenbeschränkung lässt laut den Autoren – mit logistischen Zwängen – keine allgemeingültigen Schlussfolgerungen zu. Daher ist es nun das Ziel, die Forschung am menschlichen Immunsystem mit anderen Mikrogravitations-Simulationsplattformen fortzusetzen, um physiologische Veränderungen zu untersuchen, Komplikationen zu vermeiden und Risikosituationen zu antizipieren.

Warnung für Weltraumtouristen

Der Weltraumtourismus ist für einige Wirtschaftszweige eine Aktivität von großem wirtschaftlichem Interesse. Einer der Hauptunterschiede zwischen Weltraumtouristen und Astronauten ist jedoch die physische und psychische Vorbereitung vor der Reise.

„Die veränderte Schwerkraft oder das ständige Fehlen der Schwerkraft ist eine von mehreren Veränderungen in der Umgebung, denen diese Raumfahrer ausgesetzt sind. Der menschliche Körper hat sich unter den Bedingungen der Erdanziehungskraft entwickelt und ist nicht an das Fehlen dieser Anziehungskraft angepasst. andere Faktoren wie ionisierende Strahlung, ständiger Lärm, Isolation, Einschluss, eine totale Störung des Tagesrhythmus und kurze Exposition gegenüber extremen Temperaturen während der Rückkehr in die Atmosphäre müssen berücksichtigt werden“, warnen die Experten.

„Langfristige Stoffwechsel-, Osteoporose- und ophthalmologische Probleme wurden ebenfalls beschrieben. Obwohl die Auswirkungen der Raumfahrt auf untrainierte Raumfahrer nicht untersucht wurden, ist es möglich, dass alle Stressoren der physischen Umgebung die Gesundheit von Weltraumtouristen negativ beeinflussen könnten. Daher sind ‚Weltraumbesuche‘ vorerst auf kurze Dauer ausgelegt“, schließt das Team.