Effectiveness of artificial gravity to maintain muscle strength and neuromuscular interaction during 60 days of bedrest
Anatomy and Physiology
Orthopaedics, Traumatology, Reconstructive Surgery
Final Report Abstract
Die Schwere des Muskelabbaus steigt mit der Dauer der Entlastung des muskuloskelettalen Systems in Schwerelosigkeit und Bettruhe. Für Langzeitmissionen, zum Beispiel zu anderen Planeten, wie auch für immobilisierte Patienten, stellt der Verlust an Muskelkraft und -volumen einen kritischen Faktor dar, der die Gesundheit beeinträchtigt und das Gelingen von Raumfahrtmissionen gefährdet. Bettruhestudien werden als Modell für den Aufenthalt in Schwerelosigkeit genutzt. Die humane Zentrifugation stellt eine Alternative und mögliche Ergänzung zu klassischen Trainingsprogrammen dar, um dem Muskelabbau in Schwerelosigkeit entgegenzuwirken. Ziele der hier bearbeiteten Studie waren die Untersuchung der Effekte von Bettruhe und humaner Zentrifugation auf die neuromuskuläre Kopplung mittels elektrophysiologischer Methoden, der Analyse von Muskelbiopsien und der Konzentrationen neurotrophischer Faktoren im Blutserum. Im Rahmen einer Ausschreibung der European Space Agency (ESA) habe ich zusammen mit fünf internationalen Kollaborationspartnern ein Forschungspaket in der 60-tägigen Bettruhe-Studie mit humaner Zentrifugation (AGBRESA – Artificial Gravity Bed Rest European Space Agency) eingeworben. Die AGBRESA-Studie wurde am DLR in Köln mit 24 gesunden Probanden beider Geschlechter in Kooperation der ESA und der National Aeronautics and Space Administration (NASA) geplant und durchgeführt. Der Einsatz einer Kurzarm-Humanzentrifuge für 30 Minuten täglich mit einem G auf Herzhöhe sollte in dieser Studie als Gegenmaßnahme für den körperlichen Abbau in Bettruhe untersucht werden. Es gab drei Interventionsgruppen à 8 ProbandInnen: Kontrollgruppe (nur Bettruhe), intermittierende Zentrifugation (6 x 5 Minuten humane Zentrifugation pro Tag) und kontinuierliche Zentrifugation (30 Minuten humane Zentrifugation am Stück pro Tag). Die Studie erfolgte in zwei Kampagnen mit je 12 Teilnehmern (16 Männer und 8 Frauen). Die erste Kampagne wurde im Frühjahr 2019 durchgeführt (März bis Juni). Entgegen der ursprünglichen Planung, die zweite Campagne im Sommer 2019 umzusetzen, kam es zu einer Verzögerung in den Herbst 2019 (September bis Dezember). Trotz dieser Verzögerungen konnten wir alle Probeentnahmen und Messungen wie geplant durchführen. Die Anzahl und Größe der motorischen Einheiten haben wir im M. adductor digiti minimi (Hypothenar) und im M. tibialis anterior (Unterschenkel) mittels MUNIX/MUSIX erfasst, einer nicht-invasiven EMG-Methode. Die Messungen sind vor der Bettruhe und an den Tagen 4 und 59 erfolgt. Weder Bettruhe, noch humane Zentrifugation zeigten einen Effekt auf die Anzahl oder Größe der motorischen Einheiten. Die Ergebnisse haben wir im European Journal of Applied Physiology veröffentlicht. Die Analysen der Blutserumproben (entnommen vor der Bettruhe und an den Tagen 6, 20, 40 und 57) sind mittels kommerzieller ELISA-Kits und eines kolorimetrischen Assays erfolgt. Die folgenden Parameter wurden bestimmt: GDF-8/Myostatin, Slow skeletal muscle Troponin T, Creatine kinase activity, Prostaglandin E2, Brain derived neurotrophic factor (BDNF), Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF), and C-terminal Agrin Fragment. Vor der Bettruhe zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Gruppen, Geschlecht oder Alter. Die Analysen ergaben keine signifikanten Bettruheeffekte oder Effekte der humanen Zentrifugation auf die gemessenen Parameter. Auch gab es keine Unterschiede zwischen kontinuierlicher und intermittierender Zentrifugation. Die Analysen der Muskelbiopsien sind aktuell noch nicht abgeschlossen. Die ersten Zwischenergebnisse zeigen typische Veränderungen der Bettruhe ohne einen Effekt der humanen Zentrifugation. Die Ergebnisse der Single Fibre Analyse, Histologie, der Mitochondrienfunktion und der elektronenmikroskopischen Analysen werden wir zusammen veröffentlichen. Unsere Ergebnisse der AGBRESA-Studie deuten darauf hin, dass auf Raumflügen der Einsatz humaner Zentrifugation allein nicht ausreicht, um die neuromuskuläre Interaktion zu stimulieren und damit den Muskelabbau aufzuhalten. Mit dem aktuellen Konsortium konnte ich als Folgeprojekt bei der ESA ein Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS einwerben in dem es um den Einsatz muskulärer Elektrostimulation als Gegenmaßnahme geht.
Publications
- Changes in contractile properties of single muscle fibers – methodology and preliminary results of the AGBRESA study. NASA Human Research Program Investigator’s Workshop, Galveston, Texas, USA, Januar 2020
Ganse B, Wüst RCI, Giakoumaki I, Bosutti A, Rittweger J, Drey M, Degens H
- Head-down tilt bed rest with or without artificial gravity is not associated with motor unit remodeling. Eur J Appl Physiol. 2020;120:2407–2415
Attias J, Grassi A, Bosutti A, Ganse B, Degens H, Drey M
(See online at https://doi.org/10.1007/s00421-020-04458-7) - Long-term bed rest and artificial gravity by human centrifugation have neither an effect on circulating levels of neurotrophic factors, nor on biomarkers of muscle wasting and neuromuscular junction integrity. NASA Human Research Program Investigator’s Workshop, online, Februar 2021
Ganse B, Bosutti A, Drey M, Degens H
- Sixty days of head-down tilt bed rest with or without artificial gravity do not affect the neuromuscular secretome. Exp Cell Res. 2021;399:112463
Ganse B, Bosutti A, Drey M, Degens H
(See online at https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2020.112463)
