Von der Raumfahrt in die Medizin:

Wie die NASA die Forschung zur Osteoporose und Knochengesundheit voranbrachte

Osteoporose, Knochenschwund und Schwerelosigkeit – was Astronauten mit unserer Knochengesundheit verbindet

Lange Aufenthalte im Weltraum verändern den menschlichen Körper grundlegend. Besonders betroffen sind Knochen und Muskulatur. Ohne die ständige Belastung durch die Erdanziehungskraft nimmt die Knochenmineraldichte kontinuierlich ab. Astronautinnen und Astronauten entwickeln dadurch einen ausgeprägten Knochenschwund, der viele Gemeinsamkeiten mit einer Osteoporose aufweist.

Grundlage dieses Prozesses ist das Wolffsche Gesetz. Es beschreibt, dass sich Knochen ständig an die mechanischen Belastungen anpassen, denen sie ausgesetzt sind. Werden sie regelmäßig belastet, bleiben sie stabil oder bauen zusätzliche Knochensubstanz auf. Fehlt diese Belastung – wie in der Schwerelosigkeit – beginnt der Körper, Knochenmasse abzubauen.

Warum Astronauten Knochenmasse verlieren

Bereits zu Beginn der bemannten Raumfahrt stellte die NASA fest, dass längere Missionen nicht nur zu Muskelabbau, sondern auch zu einem deutlichen Verlust der Knochenmineraldichte führen. Je länger sich Astronauten im All aufhalten, desto stärker nimmt die Stabilität ihrer Knochen ab.

Mit der Planung langfristiger Missionen zur Internationalen Raumstation (ISS) sowie zukünftiger Mond- und Marsmissionen wurde deutlich, dass wirksame Maßnahmen gegen den Knochenabbau unverzichtbar sind. Schließlich müssen Astronauten auch nach mehreren Monaten in der Schwerelosigkeit körperlich leistungsfähig bleiben.

Knochenschwund im Weltraum verläuft deutlich schneller als Osteoporose

Während Osteoporose auf der Erde meist langsam über viele Jahre fortschreitet, kann der Knochenverlust im Weltraum innerhalb kurzer Zeit erhebliche Ausmaße annehmen.
Astronautinnen und Astronauten verlieren je nach Missionsdauer und Belastungssituation bis zu 20 Prozent ihrer Knochenmasse pro Jahr. Zum Vergleich: Menschen mit unbehandelter Osteoporose verlieren häufig nur etwa 1 bis 2 Prozent Knochenmasse jährlich.
Ein Verlust dieser Größenordnung erhöht das Risiko für Knochenbrüche erheblich. Gerade auf Langzeitmissionen wäre ein Bruch von Hüfte oder Bein eine medizinische Ausnahmesituation.

Die NASA suchte nach einer medikamentenfreien Lösung

Da Medikamente im Weltraum möglichst sparsam eingesetzt werden sollen, konzentrierte sich die NASA früh auf natürliche und nicht-invasive Möglichkeiten, den Bewegungsapparat zu unterstützen.
Ziel war es, eine Methode zu entwickeln, die Knochen und Muskulatur mechanisch stimuliert, ohne den Organismus zusätzlich zu belasten oder unerwünschte Nebenwirkungen hervorzurufen.

Quelle: nasa.gov

Forschung zu Vibrationen geringer Intensität (Low Intensity Vibration)

In den 1980er- und 1990er-Jahren begann eine intensive Forschungsphase zur sogenannten Low Intensity Vibration (LiV). Wissenschaftler untersuchten, wie kleinste mechanische Belastungsreize auf Knochen- und Muskelzellen wirken.

Eine zentrale Rolle spielte Professor Clinton Rubin, der das NASA-Forschungsprojekt „A Low Intensity Mechanical Countermeasure to Prohibit Osteoporosis in Astronauts During Long-Term Spaceflight“ leitete.
Nach umfangreichen Grundlagenuntersuchungen wurden spezielle Vibrationsplattformen entwickelt. Diese erzeugen sanfte, hochfrequente mechanische Impulse, die über die Füße auf den gesamten Bewegungsapparat übertragen werden. Ziel war es, natürliche Belastungsreize nachzuahmen, die in der Schwerelosigkeit fehlen.

Von der Weltraummedizin zur Osteoporoseforschung

Mit fortschreitender Forschung zeigte sich, dass die Erkenntnisse aus der Raumfahrt auch für die Behandlung altersbedingter Veränderungen des Bewegungsapparates von großem Interesse sind.

Julie Robinson vom NASA Johnson Space Center formulierte diesen Zusammenhang treffend:
„Der Erfolg bemannter Forschungsmissionen hängt davon ab, Gegenmaßnahmen gegen den Knochenverlust zu entwickeln. Gleichzeitig profitieren die Osteoporoseforschung auf der Erde und die Weltraummedizin gegenseitig von ihren Erkenntnissen."

Heute gilt die Aussage:
„Was die Schwerelosigkeit für Astronauten ist, ist das Alter für den Menschen auf der Erde."
Sie beschreibt anschaulich, warum sich beide Forschungsbereiche gegenseitig ergänzen.

LiV-Technologie heute

Die aus der NASA-Forschung hervorgegangene Low Intensity Vibration (LiV) wurde in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt. Moderne Vibrationsplattformen werden heute sowohl in wissenschaftlichen Studien als auch in verschiedenen medizinischen Anwendungsbereichen untersucht.

Ziel dieser Technologie ist es, den Bewegungsapparat durch sanfte mechanische Reize zu unterstützen und natürliche Belastungsimpulse zu ergänzen. Die Forschung beschäftigt sich weiterhin mit der Frage, welchen Beitrag diese Form der mechanischen Stimulation zum Erhalt von Knochen- und Muskelgesundheit leisten kann.

Die Erkenntnisse aus der Weltraummedizin zeigen eindrucksvoll, wie Innovationen aus der Raumfahrt ihren Weg in die medizinische Forschung finden und neue Ansätze zur Unterstützung der Knochengesundheit, der Knochenmineraldichte und der Prävention von Knochenschwund liefern.

Sicherheit: Beispielhafte Darstellung der applizierten Beschleunigung (senkrechte Achse), gemessen auf der Plattenoberfläche im Vergleich einer Fitness-Plattform (rot) und Marodyne LiV (grün). Die horizontalen Bänder zeigen die Schwellwerte für 4 Stunden und für 1 Minute gem. ISO-2631/OSHA an. (Graphik: C. Rubin).

Quelle: nasa.gov