VaPER-Studie: Strikte Einhaltung der -6°-Kopftieflage in Bettruhe - Eine Verbesserung des Bettruhe-Modells?

Einleitung: Im Herbst 2017 wurde eine Bettruhestudie mit dem Titel “Medium-term Bed Rest Study - VIIP and Psychological :envihab Research Study (VaPER)” als gemeinsames Projekt der NASA und des DLR in Köln durchgeführt. Hauptziel dieser Studie war es unter Simulation von physiologischen Effekten der Schwerelosigkeit, in dem Fall 30-tägiger Bettruhe in -6°-Kopftieflage, Einflüsse auf Anatomie und Physiologie des Gehirns sowie des Auges zu untersuchen. Seit 2011 bekannt wurde, dass bei einzelnen Astronauten nach ihrer Rückkehr aus mehrmonatiger Mission auf der ISS Augenveränderungen festgestellt worden sind (1), das sogenannte SANS, das Spaceflight Associated Neuroocular Syndrome (früher VIIP-Syndrom), steht die Erforschung dieser Augenveränderung verstärkt im Fokus, so auch bei der VaPER-Studie. Die Raumfahrt-Medizin bedient sich zur Erforschung der Auswirkungen von Schwerlosigkeit auf den menschlichen Körper auf der Erde seit Jahrzehnten eines Modells für Mikrogravitations-Simulation, der Bettruhe in -6° Kopftieflage (Head-Down-Tilt=HDT). Die strenge Einhaltung dieser Form der Bettruhe führt zu vergleichbaren physiologischen Auswirkungen im menschlichen Körper wie sie in realer Schwerelosigkeit beobachtet werden. Bei der VaPER-Studie wurde dieses Modell der Bettruhe nun mit erhöhtem CO2-Gehalt (0,5%) in der Raumluft kombiniert. Auf der ISS, der Internationalen Weltraumstation, herrschen generell hohe Kohlendioxid-Konzentrationen vor, diese können bis zu 0,7% betragen (zum Vergleich: die CO2- Konzentration in der Erdatmosphäre liegt bei 0,04%). Fragestellung: Erhöhte CO2-Konzentrationen (Hyperkapnie) in Mikrogravitation verstärken die zerebrale Durchblutung, die das intrakraniale Blutvolumen (2, 3) und den intrakraniellen Druck (4) erhöhen können. Wenn nun erhöhte CO2-Konzentrationen, wie auf der ISS üblich, zusätzlichen Einfluss auf die durch Schwerlosigkeit bedingte kraniale Flüssigkeitsverschiebung haben, könnte dadurch der intrakraniale Druck und damit das Risiko der Entstehung des SANS ggf. weiter erhöht werden. Im Gegensatz zu echter Schwerelosigkeit wirkt in HDT-Bettruhe nach wie vor der Gravitationsvektor, was zu abweichenden physiologischen Effekten führen kann. Bei Studien in Kopftieflage konnten bisher keine zerebralen oder ophthalmologischen Befunde wie bei von SANS betroffenen Astronauten beobachtet werden. Möglicherweise reicht aber `-6° HDT´ als Modell allein nicht aus, um diese Effekte auch am Boden zu erzeugen. Dies kann auch dadurch bedingt sein, dass Bettruhestudien-Probanden bisher generell Kissen verwendet haben, die eine Flüssigkeitsverschiebung in den Kopf möglicherweise abgeschwächt haben können. Steilere HDT-Neigungswinkel zur Erzeugung der Erhöhung des intrakranialen Blutvolumens sind bei Langzeit-Bettruhestudien nicht umsetzbar. Folglich sollte in der VaPER-Studie herausgefunden werden, ob das Bettruhemodell für SANS-bezogene Forschung verbessert werden kann, indem die CO2-Konzentration in der Atmosphäre erhöht und gleichzeitig die Bettruheposition in -6° HDT streng eingehalten wird. Methodik: Während der VaPER-Studie war den Probanden so erstmals keine Kissennutzung erlaubt, mit Ausnahme eines sehr dünnen Kissens beim Liegen auf der Seite. Die Probanden wurden während der gesamten Bettruhe durchgehend 24 Stunden kameraüberwacht und lückenlos auf strenge Einhaltung kontrolliert. Für die erfolgreiche Durchführung von Bettruhestudien ist die Adhärenz der Probanden äußerst wichtig. Voraussetzung hierfür ist u.a. ein sorgfältiges und umfassendes Screening der Studien-Bewerber vor Studieneinschluss, auch in Bezug auf psychologische Aspekte. Zum anderen ist neben der umfangreichen medizinischen Betreuung und der hohen wissenschaftlichen Expertise der beteiligtenExperimentatoren die Qualität der operationellen Umsetzung für die Durchführung von Langzeitbettruhestudien von großer Bedeutung. So ist in der hochmodern und vielseitig ausgestatteten Großforschungsanlage :envihab des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR auch eine gute soziale Atmosphäre während der stationären Phase der Bettruhestudien für deren Erfolg essentiell, was die sehr niedrige Abbruchrate der Studienteilnehmer seit Jahren beweist und die durch die DLR Mitarbeiter in besonderem Maße umgesetzt wird. Schlussfolgerungen: Während der gesamten Studie zeigten alle Probanden eine sehr hohe Adhärenz und hielten die strikte -6° Kopftieflage ohne Einschränkungen ein. Die strikte -6° Kopftieflage verbunden mit der Erhöhung der CO2-Konzentration in der Raumluft auf 0,5% führte somit zu einer Verbesserung des Modells zur Erforschung der Effekte von Schwerelosigkeit. Zukünftige Studien müssen zeigen, ob allein strenge -6°- HDT-Bettruhe, Hyperkapnie oder beides in Kombination SANS-ähnliche Effekte hervorrufen, wie sie auch vereinzelt bei der VaPER-Studie beobachtet wurden

The :envihab - Linking biomedical research and technological innovation for Astronaut health

The DLR Institute of Aerospace Medicine has longtime experience in supporting human spaceflights. Ever since contributing to the Spacelab Program, the Institute has supported the psychological and medical astronaut selection, training, and mission operations. The program is flanked by state-of-the-art ground based biological, medical, and psychological research. The :envihab, derived from the words environment and habitat, is a unique medical research facility operated by the DLR Institute of Aerospace Medicine. Within its eight modules, :envihab houses multi-purpose laboratories and specialized equipment for life science research. Furthermore, :envihab features a high-end research ward accommodating study participants in bedrest studies and sleep investigations among others. The module comprises 12 individual rooms and can be conditioned using normobaric hypoxia or hypercapnia. :envihab offers a fully equipped human short-arm centrifuge equipped with a robotic-controlled ultrasonography device for examinations of cardiovascular parameters during exposure to centrifugation. The 3 Tesla PET-MRI allows for sophisticated structural, functional, and molecular imaging. The Biology Lab consists of four microbiology laboratory rooms, one of them is an ISO class 8 clean room. A large hypobaric chamber is suitable for hypobaric hypoxia, normobaric hypoxia, and hypercapnia studies. Finally, advanced cardiovascular, musculoskeletal, metabolic, ophthalmological, and psychological testing as well as highly controlled dietary support make :envihab a worldwide unique human research facility. Meanwhile, several mechanism-oriented sleep studies as well as bed rest studies up to 60 days have been successfully completed. The Institute supports postflight activities of ESA astronauts – the so-called “Direct Return”. Astronauts, crew surgeon and operational staff can be accommodated. The Crew Quarters are access-controlled for infection control and astronaut privacy. All medical post-flight examinations required according to the Medical Standards for Crewmembers can be performed at the adjacent DLR Flight Medicine Clinic. Pre- and post-flight examinations and measurements can be performed at the same site with the same equipment and the same staff, thus, limiting variability. Similarly, post-flight experiments are conducted by DLR scientists within :envihab. In November 2014, Alexander Gerst was the first astronaut to directly return to Cologne, followed by Andreas Mogensen (Sept. 2015), Timothy Peake (June 2016) and Thomas Pesquet (June 2017). We expect ISS commander Alexander Gerst as the next astronaut hosted at :envihab in 2018

Effects of Individualized Centrifugation Training on Orthostatic Tolerance in Men and Women

Aims Exposure to artificial gravity (AG) at different G loads and durations on human centrifuges has been shown to improve orthostatic tolerance in men. However, the effects on women and of an individual-specific AG training protocol on tolerance are not known. Methods We examined the effects of 90 minutes of AG vs. 90 minutes of supine rest on the orthostatic tolerance limit (OTL), using head up tilt and lower body negative pressure until presyncope of 7 men and 5 women. Subjects were placed in the centrifuge nacelle while instrumented and after one-hour they underwent either: 1) AG exposure (90 minutes) in supine position [protocol 1, artificial gravity exposure], or 2) lay supine on the centrifuge for 90 minutes in supine position without AG exposure [protocol 2, control]. The AG training protocol was individualized, by first determining each subject’s maximum tolerable G load, and then exposing them to 45 minutes of ramp training at sub-presyncopal levels. Results Both sexes had improved OTL (14 minutes vs 11 minutes, p < 0.0019) following AG exposure. When cardiovascular (CV) variables at presyncope in the control test were compared with the CV variables at the same tilt-test time (isotime) during post-centrifuge, higher blood pressure, stroke volume and cardiac output and similar heart rates and peripheral resistance were found post-centrifuge. Conclusions These data suggest a better-maintained central circulating blood volume post-centrifugation across gender and provide an integrated insight into mechanisms of blood pressure regulation and the possible implementation of in-flight AG countermeasure profiles during spaceflights

New Bed Rest Paradigm: Strict adherence of -6°-Head Down Tilt Bed Rest

Poster Abstract: The recent Medium-term Bed Rest Study - VaPER was conducted in 2017 as joint project between NASA and DLR in Cologne, Germany. The primary aim of this comprehensive study was to test influences of the novel paradigm for microgravity simulation combining - 6° head down tilt (HDT) with increased ambient CO2 (0.5%) on cerebral and ocular anatomy and physiology. The study focused on the Spaceflight Associated Neuro-ocular Syndrome (SANS, formerly the visual impairment and intracranial pressure, or VIIP syndrome). On the ISS, astronauts are exposed to microgravity and increased ambient CO2 (hypercapnia). Hypercapnia potently augments cerebral blood flow which may acutely increase intracranial blood volume and intracranial pressure. When added to the cephalad fluid shifts in space, hypercapnia may further raise intracranial pressure and hence SANS risk. HDT has stood the test of time as ground-based microgravity analogue for space medicine research. However, unlike in microgravity where all hydrostatic gradients are abolished, a gravitation vector is still present in HDT bed rest which may elicit different physiological responses. Indeed, -6° HDT studies have not reproduced cerebral or ophthalmic findings observed in astronauts affected by SANS. Possibly, -6° HDT alone may not create head-ward fluid shifts mimicking true microgravity conditions. Steeper HDT tilt angles are unrealistic for long-duration bed rest studies. On the other hand, all experimental bed rest studies thus far provided pillows. Consequently, we sought to establish whether the bed rest model for SANS-related research could be improved by mimicking hypercapnia on board the ISS and stricter controlled -6° HDT bed rest position. During the VaPER Study no pillows were permitted except for a thin pillow when subjects were lying on their sides. Subjects were camera-monitored 24 h per day and feedback on head position was provided during waking hours whenever needed. Test subjects showed an excellent adherence and maintained strict -6° HDT throughout the study. Adherence is of central importance for successful completion of bed rest studies. One prerequisite is careful screening before study inclusion with an emphasis on psychological aspects. The :envihab facility and the experienced staff at the DLR-Institute of Aerospace Medicine create an atmosphere of best possible well-being during confinement. Within the next NASA-ESA-DLR Longterm-Bedrest Study (ABGRESA-Study) planned in 2019 we will get more information to determine whether strict -6° HDT bed rest, hypercapnia, or both combined are required to model SANS-like findings

Ground-based experimental platforms in gravitational biology and human physiology

Scientists and technicians have been innovative in order to find experimental approaches to study the influence of gravity. Depending on the scientific question and the time course of events which are under investigation, different experimental platforms are available to provide conditions of altered gravitational stimulation on ground and to prepare space experiments i.e. under real microgravity conditions. The application profile ranges from studies with molecules or single cells up to humans