Astronauten und Patienten im Kälteschlaf (Hibernation) – Wie weit ist die Forschung?

Eine gespenstische Zukunftsvision: Astronauten reisen am Rande des Todes ihrem fernen Ziel entgegen – für Monate, Jahre oder Jahrzehnte. Im Kälteschlaf (Hibernation) benötigen sie wenig Sauerstoff, Wasser und Nährstoffe – und sie altern kaum. Nicht nur für die Raumfahrt ist der Kälteschlaf interessant. In der Medizin rettet er bereits Leben.

Wer erforscht die Hibernation?

Die Raumfahrtagenturen betreiben momentan keine Kälteschlaf-Forschung, auch wenn die Ergebnisse etwa der ESA-Studie von 2004 interessante Ansatzpunkte für die menschliche Hibernation bietet. (Die Ergebnisse der ESA-Studie sind unten zusammengefasst.)

Wesentliche Beiträge liefert die medizinische Forschung, da besonders kritische Eingriffe am Herzen und Gehirn ohne den Kälteschlaf des Patienten nicht durchführbar wären (siehe unten).

Warum Hibernation?

In der Raumfahrt

Nicht unbedingt nötig, aber sinnvoll könnte Hibernation bereits für bemannte Marsmissionen sein, die möglicherweise in den 2030er Jahren anstehen. Hin- und Rückreise dauern mit heutigen Antriebstechniken etwa je sechs Monate. Während dieser Zeit könnten die wachenden Astronauten etwa im 14-tägigen Schichtbetrieb ausgewechselt werden. Die diensthabenden Besatzungsmitglieder hätten nicht nur das Raumschiff zu überwachen, sondern auch ihre schlafenden Kollegen, die intravenös ernährt würden.

Für längere bemannte Missionen im Sonnensystem und für die interstellare Raumfahrt wäre der Kälteschlaf erst recht wünschenswert oder sogar notwendig.

Denkbare Vorteile:

  • Die eintönige Reisezeit wird deutlich verkürzt empfunden,
  • die Astronauten kommen ausgeruht am Ziel an,
  • es muss weniger Sauerstoff, Wasser und Nahrung bereitgehalten werden, jedenfalls wenn das Vertrauen in die Hibernationstechnologie groß genug ist,
  • es werden kleinere Kabinen für die Besatzung benötigt, da der psychologische Druck der langen Reise gemildert wird, und
  • die durch die Schwerelosigkeit verursachte Knochen- und Muskelschwächung wird abgemildert.

Dem stehen noch offene Fragen und mögliche Nachteile entgegen. Unter anderem:

  • Wie lässt sich der Muskelabbau und Knochenschwund in annehmbaren Grenzen halten? (Eventuell durch elektrische Anregung der Muskeln. Bei Tieren hält sich der Muskelabbau durch den Winterschlaf in Grenzen.)
  • Körperzellen werden beispielsweise durch im Körper enthaltene geringe Mengen radioaktiver und giftiger Substanzen geschädigt. Wenn durch Hibernation die Zellteilung längerer Zeit verlangsamt wird, werden geschädigte Körperzellen nicht mehr ausreichend durch neue ersetzt?
  • Wie werden die Gehirnfunktionen beeinträchtigt, etwa das Gedächtnis?
  • Wie wirkt es sich aus, wenn Astronauten wochenlang oder länger träumen?
  • Wie wirkt sich bei den Astronauten nach dem Aufwachen die scheinbar fehlende Zeit aus?

In der Medizin

Die Hibernation bietet weitere Möglichkeiten für die Medizin. Bei besonders kritischen chirurgischen Eingriffen am Herzen oder Gehirn werden heute bereits die Patienten in den Kälteschlaf gelegt, anders wären die Operationen gar nicht durchführbar (siehe unten).

Weitere Anwendungen der Hibernation werden erforscht oder entwickelt: Schwer verletzte Unfallopfer und Soldaten ließen sich im Kälteschlaf einige Zeit am Rande des Todes halten, bis sie behandelt werden könnten (siehe unten). Ebenso ließe sich die Lebensdauer von Spenderorganen bis zur Transplantation verlängern.

Tiere machen es vor

Der europäische Igel (Erinaceus europaeus) hält einen Winterschlaf. Seine Körpertemperatur senkt er dabei stark ab, ebenso seinen Stoffwechsel. Foto: Gibe at the German language Wikipedia, Creative Commons BY-SA

Der europäische Igel (Erinaceus europaeus) hält einen Winterschlaf. Seine Körpertemperatur senkt er dabei stark ab, ebenso seinen Stoffwechsel. Foto: Gibe at the German language Wikipedia, Creative Commons BY-SA

Bis der Mensch längere Zeit im Kälteschlaf verbringen kann, machen es uns Tiere wie der Igel vor: Während seines Winterschlafs atmet er statt 50 Mal nur noch 1 oder 2 Mal pro Minute, sein Herz schlägt statt 200 Mal nur noch 5 Mal pro Minute und seine Körpertemperatur sinkt von 36 °C auf 8 bis 1 °C. Bären schlafen dagegen im Winter bei fast normaler Körpertemperatur von 31 bis 35 °C. Dies wird als Winterruhe bezeichnet. Die Herzfrequenz der Bären sinkt dabei von etwa 40 auf 10 Schläge pro Minute, und ihr Stoffwechsel wird auf 50 bis 60 % gesenkt. Braunbären geben während ihres Dämmerschlafs weder Kot noch Urin ab. Sie fressen und trinken auch nicht und leben allein von ihren Fettreserven. Durch den Winterschlaf können viele Tiere kalte und karge Zeiten auch ohne Nahrung überstehen.

Winterschlaf wird auch Hibernation genannt. Ähnliche Verhaltensweisen sind in abgeschwächter Form die Winterruhe, die Winterstarre der Amphibien und Reptilien, der Torpor bei Nahrungsmangel sowie der Sommer- oder Trockenschlaf. Sogar manche Primaten wie der Fettschwanzmaki auf Madagaskar fahren während der Trockenmonate ihren Stoffwechsel drastisch herunter. Das Herunterkühlen des Körpers ist daher offensichtlich nicht unbedingt nötig.

Der Mensch beherrscht den Kälteschlaf bereits

Der unterkühlte Mensch
Die normale Kerntemperatur des menschlichen Körpers schwankt etwas um 37 °C. In kalter Umgebung kann die Temperatur sinken (Hypothermie). Der Körper arbeitet dagegen an, indem er durch Muskelzittern Wärme erzeugt. Das Herz beginnt bei etwa 28 °C Körpertemperatur zu flimmern, und die Atmung stoppt bei etwa 23 °C.

Bisher allerdings nur unfreiwillig in Schnee, Eis oder eiskaltem Wasser und mit viel Glück im Unglück. Solches Glück hatte beispielsweise der Japaner Mitsutaka Uchikoshi im Oktober 2006. Der 35-jährige wurde leblos auf einem eiskalten Feld des Berges Rokko gefunden, einem beliebten Gebiet für Bergwanderer im Südwesten Japans. 24 Tage vorher hatte er sich auf dem Berg von seinen Freunden getrennt und war auf dem Heimweg unglücklich gestürzt. Bis zu seiner Rettung war er bewusstlos ohne Nahrung und Wasser seiner frostigen Umwelt ausgesetzt. Seine Körpertemperatur war in dieser Zeit auf 22 °C gefallen. Seine Retter konnten weder seinen Puls noch seine Atmung feststellen und brachten in die Klinik nach Kobe. Dort wachte er völlig unerwartet auf. Mitsutaka Uchikoshi wurde wegen schwerer Unterkühlung, mehrfachem Organversagen und Blutverlust behandelt. Doch schließlich entließen ihn seine Ärzte ohne bleibende Schäden.

Kälteschlaf in der Chirurgie…

Weltweit wird am Kälteschlaf geforscht. Bisher stehen hierbei medizinische Anwendungen im Vordergrund. Ein Verfahren, dass bei besonders kritischen Eingriffen am Herzen und Gehirn angewendet wird, ist der tiefhypotherme Kreislaufstillstand (Deep Hypothermic Circulatory Arrest, DHCA). Der Körper des Patienten wird auf 12 bis 18 °C heruntergekühlt, damit sein Blutkreislauf und seine Atmung gestoppt werden können. Denn die Organe, insbesondere das Gehirn, überstehen unterkühlt den Sauerstoffmangel länger. Der Patient ist dann klinisch tot, und die Chirurgen haben bis zu etwa eine Stunde Zeit für den Eingriff; danach würde das Gehirn meist bleibend geschädigt. Im Kälteschlaf stoppt auch die Gehirnaktivität des Patienten.

…und für schwer Verletzte

In den USA forscht eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Hasan Alam am Massachusetts General Hospital an einer Methode, die noch weiter geht. Damit sollen Soldaten und Unfallopfer die ersten Stunden nach einer schweren Verletzung überleben können, bis sie behandelt werden können. Bei diesem Verfahren wird dem Opfer eine eiskalte Salzlösung in ein größeres Blutgefäß injiziert, die die Körpertemperatur auf bis zu 10 °C senkt, den Stoffwechsel stoppt. Der Patient ist danach klinisch tot und der Sauerstoffbedarf seiner Organe drastisch herabgesetzt. Sanitäter und Ärzte haben dadurch mehr Zeit, die Verletzung zu untersuchen und zu behandeln. Das Verfahren wurde schon jahrelang erfolgreich an Tieren erprobt und soll nach Meinung der Forscher grundsätzlich in die Testphase am Menschen übergehen können.

ESA-Studie: Hibernation von Astronauten

Die Studie zur Hibernation von Astronauten im Auftrag des Advanced Concepts Team der ESA wurde 2004 abgeschlossen. Ihre Ergebnisse wurden veröffentlicht unter dem Titel Mammalian Hibernation Mechanisms: Relevance to a Possible Human Hypometabolic Induced State [ 1 ]. Darin wird ein Überblick über die Mechanismen des tierischen Winterschlafs gegeben. Die Studie zeigt außerdem die hypothetischen Möglichkeiten auf, diese Mechanismen auf den Menschen zu übertragen, und wie die Hibernation in der Raumfahrt aussehen könnte:

Was bisher nur als Sciencefiction bekannt ist, könnte irgendwann Sciencefact werden. Forscher mehrerer italienischer Universitäten haben im Rahmen der Studie Grundlagenforschung betrieben. Zunächst lösten sie durch die biochemische Substanz DADLE einen starreähnlichen Zustand lebender Zellen aus. Ähnliche Versuche haben die Forscher auch an kleinen Säugetieren wie Ratten durchgeführt, die normalerweise keinen Winterschlaf halten. DADLE ähnelt in seinen Eigenschaften dem Opium und einer Gruppe von Substanzen, die auch im menschlichen Gehirn produziert werden. In den Zellen reduziert DADLE die Transkription der Gene. Das sind stückweise Abschriften der Erbinformationen der DNS in Form der RNS; damit werden schließlich in den Zellen die Proteine produziert werden. Wenn diese Transkription gebremst wird, erstarrt der Stoffwechsel der Zellen und sie schlafen ein. Wird die DADLE-Zufuhr gestoppt, normalisiert sich der Zellstoffwechsel wieder.

Mechanismen der Hibernation

Körpertemperatur

Allgemein wird angenommen, dass der Sollwert der Körpertemperatur regulierbar ist, wie zum Beispiel das Fieber zeigt. Wodurch die Solltemperatur festgelegt wird, ist unbekannt. Als mögliche Regulatoren werden wärmeempfindliche Nervenzellen im Hypothalamus angesehen. Der Hypothalamus ist ein Bereich des Zwischenhirns mit wichtige Regulationszentren. Die Aktivität der Nervenzellen könnte durch mehrere chemische Sybstanzen beeinflusst werden (wärmeregulierende Neurotransmitter). Diese Neurotransmitter wirken sich allerdings auch auf andere Körpersysteme aus.

Die verringerte Körpertemperatur begleitet die Hibernation. Denn eine niedrige Körpertemperatur hält den Stoffwechsel auf niedrigem Aktivitätsniveau. Die Verringerung der Körpertemperatur allein leitet die Hibernation nicht ein, sie unterstützt diesen Vorgang höchstens. Denn winterschlafende Tiere reduzieren ihren Stoffwechsel bereits rapide, bevor die Körpertemperatur wesentlich gesunken ist.

Stoffwechsel

Winterschlafende Tiere können ihre Zellkernaktivitäten verändern und dadurch ihren Zellstoffwechsel drastisch reduzieren. Im Wesentlichen bauen sie auf niedrigem Niveau ein neues Gleichgewicht zwischen Energiebedarf und Energieversorgung auf, und die Energieversorgung wird von Kohlenhydraten auf Fettsäuren umgestellt. Als ein weiterer möglicher Schlüssel zur Einleitung der Hibernation beim Menschen wird daher die entsprechende Umstellung der Energieversorgung durch Hormone wie Leptin angesehen.

Genexpression

Menschen sind keine Winterschläfer, trotzdem enthält das menschliche Erbmaterial einige Gene, die auch im Erbmaterial winterschlafender Tiere enthalten sind. Bei diesen Tieren werden die Informationen, die diese Gene repräsentieren in Körpereigenschaften umgesetzt (die Gene werden sozusagen eingeschaltet). Das wird Genexpression genannt. Beim Menschen findet die Expression dieser Gene höchstens im Fötus oder Neugeborenen statt.

Die Hibernation des Menschen ließe sich möglicherweise einleiten, wenn die genetische Expression eines bestimmten Proteins, des Hibernation Inducting Trigger (HIT), gelänge. HIT leitet die Hibernation verschiedener Tiere ein und wurde im Blut von Eichhörnchen, Murmeltieren, Fledermäusen und Schwarzbären gefunden. Für die Expression von Genen sind ansatzweise Methoden bekannt. Allerdings spielen bei der Hibernation viele Gene eine Rolle, deren Wirkungen sich gegenseitig beeinflussen, und die regulatorischen Mechanismen der Erbanlagen und des Stoffwechseln sind äußerst komplex.

Hibernation des Menschen: ein Lösungsansatz

Der Schlüssel zur Hibernation des Menschen könnten HIT-ähnliche Substanzen wie DADLE (D-Ala2-D-Leu5 Enkephalin) sein. Das ist ein synthetisches Produkt aus Aminosäuren und die veränderte Form des natürlich vorkommenden Opiats Enkephalin, das im Gehirn von Säugetieren vorkommt. DADLE allein wird beim Menschen voraussichtlich keine stabile Hibernation hervorrufen. Dazu werden begleitende Maßnahmen nötig sein.

Wie könnte Hibernation in der Raumfahrt aussehen?

Bis eine Methodik entwickelt sein wird, die zuverlässig in der Raumfahrt angewendet werden kann, muss noch sehr viel geforscht werden. Die Hibernation umfasst grundsätzlich ihre Einleitung, Aufrechterhaltung, Kontrolle und Beendigung. Dabei müssen die Körperfunktionen und -daten ständig überwacht werden, möglichst ohne schwerwiegende körperliche Eingriffe. Zu kontrollieren sind Körpertemperatur, Elektrokardiogramm (Herzschrift), Elektroenzephalogramm (Gehirnschrift), Pulsfrequenz, Blutdruck, Blutzuckerwerte, Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt des Zellgewebes, Atemfrequenz und so weiter. Dem Körper müssen die medizinisch gerade notwendigen Substanzen automatisch zugeführt werden. Die medizinischen Regelungssysteme sollten durch Expertensysteme überwacht werden. Es muss außerdem sichergestellt sein, dass Hibernation bei den Astronauten nicht zu wesentlichem Muskelschwund führt. (Bei winterschlafenden Tieren wird kein deutlicher Muskelschwund beobachtet.) Technisch umfasst die Hibernation dann folgende Punkte.

Herabsetzung der Körpersolltemperatur, also der Temperatur, die der Körper als Standard auffasst. Ihre klinischen Konsequenzen können noch nicht abgeschätzt werden. Vermutlich wird dies auf pharmazeutischem Weg möglich sein. Medizinisch bekannt ist das Gegenteil: künstlich hervorgerufenes Fieber.

Verringerung der Körpertemperatur auf wenige Grad über 0 °C kann durch flüssigkeitsgekühlte Wäsche oder Kühlung der Umgebung erreicht werden. Die niedrige Temperatur zusammen mit niedriger Herzfrequenz kann die Bildung von Blutgerinseln fördern. Daher müssen nach Bedarf Gerinnungshemmende Medikamente zugeführt werden.

Verringerung der Sauerstoffzufuhr lässt sich mit der Atemluft einfach regeln. Falls nötig, müsste der Blutfluss zu wichtigen Organen herabgesetzt werden.

Gefrierschutz kann durch entsprechende Substanzen per Infusion gewährleistet werden. Klinisch wird bereits Glycerol im Rahmen verschiedener Therapien verwendet. Es beeinflusst allerdings den Austausch flüssiger Stoffe durch die Zellwände (Osmose).

Beeinflussung des Stoffwechsels. Dazu müssen regulatorische Enzyme biochemisch verändert werden (Phosphorylierung), da dies offenbar bei winterschlafenden Tieren eine wichtige Bedingung der Hibernation ist. Der Vorgang muss umkehrbar sein, um die Hibernation zu beenden. Dies erfordert entsprechende Medikamente oder Gentherapien. Dieser Bereich des Stoffwechsels wird intensiv erforscht, da Störungen der normalen Phosphorylierung die Ursache oder Folge vieler Krankheiten sind. Gentherapien lieferten bisher einige Erfolge und wesentlich mehr Misserfolge.

Beeinflussung der Zellkernaktivität. Durch Opiate wie HIT und DADLE in winziger Konzentration kann die Zellaktivität herunter- und wieder heraufgeregelt werden. Diese Substanzen könnten dem Körper durch kleine Pumpen zugeführt werden. Nebeneffekte im Bereich des Zentralnervensystems müssen vermieden oder behandelt werden.

Links

[ 1 ] C. Zancanaro, M. Biggiogera, M. Malatesta, M. Ayre (2004): Mammalian Hibernation Mechanisms: Relevance to a Possible Human Hypometabolic Induced State, Final Report
http://www.esa.int/gsp/ACT/doc/ARI/ARI%20Study%20Report/ACT-RPT-BIO-ARI-036501-Morpheus-Verona.pdf

ESA: Travelling to Mars and hibernating like a brown bear
http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Exploration/Travelling_to_Mars_and_hibernating_like_a_brown_bear

Spiegel online: Ein perfekter Unfall
http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-50578098.html

innovations report: Entdeckt: Winterschlaf auch bei Primaten
http://www.innovations-report.de/html/berichte/biowissenschaften_chemie/bericht-30593.html

BBC News: Japanese man in mystery survival
http://news.bbc.co.uk/2/hi/asia-pacific/6197339.stm

M. Malatesta, M. Biggiogera, C. Zancanaro: Hypometabolic induced state: a potential tool in biomedicine and space exploration. Life in Extreme Environments, Reviews in Environmental Science and Biotechnology 6, 47-60 (2007). doi:10.1007/s11157-006-9101-4
http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-1-4020-6285-8_26

S. Conolly, J. E. Arrowsmith, A. A. Klein (2010): Deep hypothermic circulatory arrest. Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain Vol. 10, No. 5, Pp. 138-142. doi:10.1093/bjaceaccp/mkq024
http://dx.doi.org/10.1093/bjaceaccp/mkq024

E. S. Connolly, R. A. Solomon (1998): Hypothermic cardiac standstill for cerebral aneurysm surgery. Neurosurgery Clinics of North America Vol. 9, No. 4, Pp. 681–95. PMID 9738100
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9738100

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