Das tägliche Leben an Bord der Internationalen Raumstation geht schnell. Wirklich schnell. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 17.000 Meilen pro Stunde, 300 Meilen über der Erde, sehen die Astronauten jeden „Tag“ 16 Sonnenauf- und -untergänge, während sie mit einer Handvoll Menschen, von denen ihr Überleben abhängt, in einer Box umherschweben.

Wer futuristische Visionen vom Leben jenseits der Erde haben möchte, braucht sich nur Hollywood-Blockbuster wie „Der Marsianer“, „Gravity“ und „Interstellar“ anzuschauen, denn wir wagen uns immer weiter und tiefer ins Weltall. Aber wie reagiert der menschliche Körper auf den realen Weltraumflug – welche gesundheitlichen Auswirkungen gibt es? Werden Weltraumreisende anders altern als wir auf der Erde? Wie anpassungsfähig an die Weltraumumgebung sind wir?

Dies sind sicherlich Bedenken für die NASA. Wie Raumfahrt und Langzeitmissionen den menschlichen Körper verändern und ob diese Veränderungen dauerhaft oder reversibel sind, wenn die Astronauten auf die Erde zurückkehren, ist weitgehend unbekannt. Die Gelegenheit, diese faszinierenden Fragen zu erforschen, bot sich bei den eineiigen Zwillingsastronauten Scott und Mark Kelly.

Im November 2012 wählte die NASA den Astronauten Scott Kelly für ihre erste einjährige Mission aus. Auf einer Pressekonferenz kurz danach deutete Scott an, dass diese Mission die Möglichkeit bieten könnte, die Auswirkungen des Lebens im Weltraum auf seinen Körper mit seinem auf der Erde lebenden eineiigen Zwillingsbruder Mark Kelly zu vergleichen, der ebenfalls Astronaut und ehemaliger Testpilot der Navy war. Bemerkenswerterweise waren die Kelly-Zwillinge Individuen mit ähnlicher „Natur (Genetik) und Erziehung (Umwelt)“, und so wurde das perfekte Weltraumexperiment konzipiert – mit „Weltraumzwilling und Erdzwilling“ als Stars. Scott würde ein Jahr im Weltraum an Bord der Internationalen Raumstation verbringen, während sein eineiiger Zwillingsbruder Mark auf der Erde bleiben würde.

Die TWINS-Studie der NASA ist die umfassendste Untersuchung der Reaktion des menschlichen Körpers auf den Weltraumflug, die jemals durchgeführt wurde. Die Ergebnisse werden für künftige Studien und personalisierte Ansätze zur Bewertung der gesundheitlichen Auswirkungen auf einzelne Astronauten in den kommenden Jahren wegweisend sein.

Als Krebsbiologe an der Colorado State University untersuche ich die Auswirkungen der Strahlenbelastung auf menschliche Zellen. Im Rahmen der TWINS-Studie war ich besonders daran interessiert zu untersuchen, wie sich die Enden der Chromosomen, die so genannten Telomere, durch ein Jahr im Weltraum verändern.

Gesundheitliche Auswirkungen des Lebens im Weltraum auseinanderhalten

Die NASA hat einen Aufruf veröffentlicht und 10 von Experten begutachtete Untersuchungen aus dem ganzen Land für die TWINS-Studie ausgewählt. Die Studien umfassten molekulare, physiologische und verhaltensbiologische Messungen und zum ersten Mal überhaupt bei Astronauten „omics“-basierte Studien. Einige Teams untersuchten die Auswirkungen des Weltraums auf das Genom – die gesamte DNA einer Zelle (Genomik). Andere Teams untersuchten, welche Gene eingeschaltet waren und ein Molekül namens mRNA produzierten (Transkriptomik). Einige Studien konzentrierten sich darauf, wie chemische Modifikationen – die den DNA-Code nicht verändern – die Regulierung der Gene beeinflussen (Epigenomik). Einige Forscher untersuchten die in den Zellen produzierten Proteine (Proteomik), während andere die Produkte des Stoffwechsels unter die Lupe nahmen (Metabolomik).

Es gab auch Studien, die untersuchten, wie die Weltraumumgebung das Mikrobiom verändern könnte – die Sammlung von Bakterien, Viren und Pilzen, die in und auf unserem Körper leben. Eine Untersuchung befasste sich mit der Immunantwort auf den Grippeimpfstoff. Andere Teams suchten in Scotts biologischen Proben nach Biomarkern für Atherosklerose und nach Flüssigkeitsverschiebungen im Körper aufgrund der Mikrogravitation, die das Sehvermögen beeinträchtigen und Kopfschmerzen verursachen können. Die kognitiven Leistungen wurden auch mit Hilfe von speziell für Astronauten entwickelten Computertests bewertet.

Mehr als 300 biologische Proben – Stuhl, Urin und Blut – wurden von den Zwillingen zu verschiedenen Zeitpunkten vor, während und nach der einjährigen Mission entnommen.

Die Kelly-Zwillinge sind zweifelsohne eines der profiliertesten Paare – auf oder außerhalb unseres Planeten. Sie sind auch eines der am meisten interviewten. Eine oft gestellte Frage ist, ob Scott jünger als Mark aus dem All zurückkehren wird – eine Situation, die an „Interstellar“ oder Einsteins sogenanntes „Zwillingsparadoxon“ erinnert. Da sich die ISS im Vergleich zu uns jedoch nicht annähernd mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, ist die Zeitdilatation – also die Verlangsamung der Zeit aufgrund der Bewegung – sehr gering. Der Altersunterschied zwischen den Brüdern würde also nur wenige Millisekunden betragen.

Allerdings ist die Frage der raumfahrtbedingten Alterung und des damit einhergehenden Risikos, während oder nach einer Mission altersbedingte Krankheiten wie Demenz, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs zu entwickeln, eine wichtige Frage, die wir mit unserer Studie über die Telomerlänge direkt angehen wollten.

Telomere sind die Enden der Chromosomen, die sie vor Beschädigung und „Ausfransen“ schützen – ähnlich wie das Ende eines Schnürsenkels. Telomere sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Stabilität von Chromosomen und Genom. Die Telomere verkürzen sich jedoch auf natürliche Weise, wenn sich unsere Zellen teilen, und somit auch, wenn wir altern. Die Geschwindigkeit, mit der sich Telomere im Laufe der Zeit verkürzen, wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter oxidativer Stress und Entzündungen, Ernährung, körperliche Aktivität, psychische Belastungen und Umwelteinflüsse wie Luftverschmutzung, UV-Strahlen und ionisierende Strahlung. Die Telomerlänge spiegelt also die Genetik, die Erfahrungen und die Belastungen des Einzelnen wider und ist somit ein aussagekräftiger Indikator für den allgemeinen Gesundheitszustand und die Alterung.

Telomere und Alterung

Unsere Studie geht davon aus, dass der einzigartige Stress und die außergewöhnlichen Belastungen, denen die Astronauten während des Raumflugs ausgesetzt sind – wie Isolation, Mikrogravitation, hohe Kohlendioxidwerte und galaktische kosmische Strahlung – die Verkürzung der Telomere und die Alterung beschleunigen würden. Um dies zu testen, haben wir die Telomerlänge in Blutproben von beiden Zwillingen vor, während und nach der einjährigen Mission untersucht.

Scott und Mark begannen die Studie mit relativ ähnlichen Telomerlängen, was auf eine starke genetische Komponente schließen lässt. Erwartungsgemäß blieb die Länge der Telomere von Mark auf der Erde im Laufe der Studie relativ stabil. Doch zu unserer großen Überraschung waren Scotts Telomere zu jedem Zeitpunkt und in jeder Probe, die während des Raumflugs untersucht wurde, deutlich länger. Das war genau das Gegenteil von dem, was wir erwartet hatten.

Außerdem verkürzte sich die Telomerlänge nach Scotts Rückkehr zur Erde rapide und stabilisierte sich dann in den folgenden Monaten auf nahezu die Durchschnittswerte vor dem Flug. Unter dem Gesichtspunkt des Alterns und des Krankheitsrisikos hatte er jedoch nach dem Weltraumflug viel mehr kurze Telomere als zuvor. Unsere Aufgabe ist es nun, herauszufinden, wie und warum es zu solchen weltraumspezifischen Verschiebungen in der Telomerlängendynamik kommt.

Unsere Erkenntnisse werden auch für Erdbewohner von Bedeutung sein, da wir alle alt werden und altersbedingte Krankheiten entwickeln. Die Ergebnisse der TWINS-Studie könnten neue Hinweise auf die beteiligten Prozesse liefern und damit unser Verständnis dafür verbessern, was wir tun können, um diese zu vermeiden oder unsere Gesundheit zu verlängern.

Die langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen der Langzeit-Raumfahrt müssen noch ermittelt werden, aber die TWINS-Studie stellt einen Meilenstein auf der Reise der Menschheit zum Mond, zum Mars und darüber hinaus dar … und macht aus Science-Fiction Science-Fact.