Skip to main content
SpringerLink
Log in

Von humanen terrestrischen Modellen zu neuen Präventionsansätzen für Augenveränderungen bei Astronauten

Ergebnisse der Studien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt

From human terrestrial models to new preventive measures for ocular changes in astronauts

Results of the German Aerospace Center studies

  • Leitthema
  • Published:
Der Ophthalmologe Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Hintergrund

Augenveränderungen bei Astronautinnen und Astronauten, insbesondere das „spaceflight associated neuro-ocular syndrome“ (SANS), sind eine medizinische Herausforderung, für die es bisher noch keine geeignete Präventionsmaßnahme gibt. Bei längeren Weltraummissionen z. B. zu Mond und Mars könnten SANS und die strahlenbedingte Katarakt die Gesundheit und Leistungsfähigkeit der Crews und den Erfolg der Missionen gefährden. Für mechanistische Studien und Entwicklung präventiver Verfahren sind geeignete terrestrische Modelle erforderlich.

Ziele der Arbeit

Es soll eine Übersicht über den aktuellsten Forschungsstand und künftige Bestrebungen in der Weltraummedizin gegeben werden.

Material und Methoden

Es erfolgt eine Analyse der relevanten Veröffentlichungen anhand von PubMed.

Ergebnisse

In den Bettruhestudien des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) konnte gezeigt werden, dass strikte Bettruhe in −6° Kopftieflage Veränderungen wie bei SANS auf der Erde reproduzieren kann. Das Modell inklusive der Erzeugung von Papillenödemen wird eingesetzt, um die Wirkung künstlicher Schwerkraft mittels Kurzarmzentrifugation als präventive Maßnahme zu untersuchen. Die einzigartige Forschungseinrichtung :envihab bietet die Möglichkeit, während der Bettruhestudien auch die Umgebungsbedingungen wie auf der Internationalen Raumstation zu simulieren.

Schlussfolgerung

Künftige Bettruhestudien in Kopftieflage sollen dazu dienen, Verfahren für die Prävention von SANS systematisch zu prüfen. Dies wäre unter realen Weltraumbedingungen schwer zu realisieren. Durch eine enge Kooperation von Weltraummedizin und terrestrischer Ophthalmologie soll diese Forschung auch Patienten auf der Erde zugutekommen.

Abstract

Background

Ocular changes in astronauts, particularly the spaceflight associated neuro-ocular syndrome (SANS), pose a medical challenge for which no suitable preventive measures exist. During long-duration spaceflight missions, e.g. to the Moon and Mars, SANS and radiation-induced cataract could affect the health and performance of crews and jeopardize the success of missions. Mechanistic studies and development of preventive measures require suitable terrestrial models.

Objective

Overview on the most recent research and future plans in space medicine.

Material and methods

Search for relevant publications using PubMed.

Results

Bed rest studies at the German Aerospace Center (DLR) demonstrated that strict bed rest in a −6° head down tilt position reproduces changes just like SANS on Earth. This model including creation of optic disc edema is applied in human studies testing influences of artificial gravity through short arm centrifugation as a preventive method. The unique research facility :envihab provides the opportunity to also simulate the ambient conditions of the International Space Station during bed rest studies.

Conclusion

Future head down tilt bed rest studies will serve to systematically test preventive measures for SANS. Similar investigations would be difficult to realize under real space conditions. Through close collaboration between space medicine and terrestrial ophthalmology, this research can benefit patients on Earth.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4

Literatur

  1. Balasubramanian S, Tepelus T, Stenger MB, Lee SMC, Laurie SS, Liu JHK et al (2018) Thigh cuffs as a countermeasure for ocular changes in simulated weightlessness. Ophthalmology 125(3):459–460

    Article  Google Scholar 

  2. Beck P, Tank J, Gauger P, Beck LEJ, Zirngibl H, Jordan J et al (2018) Modeling human orthostatic responses on the moon and on mars. Clin Auton Res 28(3):325–332

    Article  Google Scholar 

  3. Berger T, Bilski P, Hajek M, Puchalska M, Reitz G (2013) The MATROSHKA experiment: results and comparison from extravehicular activity (MTR-1) and intravehicular activity (MTR-2A/2B) exposure. Radiat Res 180(6):622–637

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. Buckey JC Jr., Gaffney FA, Lane LD, Levine BD, Watenpaugh DE, Wright SJ et al (1996) Central venous pressure in space. J Appl Physiol 81(1):19–25

    Article  Google Scholar 

  5. Cucinotta FA, Manuel FK, Jones J, Iszard G, Murrey J, Djojonegro B et al (2001) Space radiation and cataracts in astronauts. Radiat Res 156(5 Pt 1):460–466

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. Draeger J, Schwartz R, Groenhoff S, Stern C (1993) Self-tonometry under microgravity conditions. Clin Investig 71(9):700–703

    Article  CAS  Google Scholar 

  7. Frings-Meuthen P, Luchitskaya E, Jordan J, Tank J, Lichtinghagen R, Smith SM et al (2020) Natriuretic peptide resetting in astronauts. Circulation. https://doi.org/10.1161/CIRCULATIONAHA.119.044203

    Article  PubMed  Google Scholar 

  8. Garrett-Bakelman FE, Darshi M, Green SJ, Gur RC, Lin L, Macias BR et al (2019) The NASA twins study: a multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science 364(6436):eaau8650. https://doi.org/10.1126/science.aau8650

    Article  CAS  PubMed  Google Scholar 

  9. Gerlach DA, Marshall-Goebel K, Hasan KM, Kramer LA, Alperin N, Rittweger J (2017) MRI-derived diffusion parameters in the human optic nerve and its surrounding sheath during head-down tilt. NPJ Microgravity 3:18

    Article  Google Scholar 

  10. Kramer LA, Hasan KM, Sargsyan AE, Marshall-Goebel K, Rittweger J, Donoviel D et al (2017) Quantitative MRI volumetry, diffusivity, cerebrovascular flow, and cranial hydrodynamics during head-down tilt and hypercapnia: the SPACECOT study. J Appl Physiol 122(5):1155–1166

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. Laurie SS, Lee SMC, Macias BR, Patel N, Stern C, Young M et al (2019) Optic disc edema and choroidal engorgement in astronauts during spaceflight and individuals exposed to bed rest. JAMA Ophthalmol 138(2):165–172. https://doi.org/10.1001/jamaophthalmol.2019.5261

    Article  Google Scholar 

  12. Laurie SS, Macias BR, Dunn JT, Young M, Stern C, Lee SMC et al (2019) Optic disc edema after 30 days of strict head-down tilt bed rest. Ophthalmology 126(3):467–468

    Article  Google Scholar 

  13. Law J, Van Baalen M, Foy M, Mason SS, Mendez C, Wear ML et al (2014) Relationship between carbon dioxide levels and reported headaches on the international space station. J Occup Environ Med 56(5):477–483

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. Mader TH, Gibson CR, Pass AF, Kramer LA, Lee AG, Fogarty J et al (2011) Optic disc edema, globe flattening, choroidal folds, and hyperopic shifts observed in astronauts after long-duration space flight. Ophthalmology 118(10):2058–2069

    Article  Google Scholar 

  15. Marshall-Goebel K, Mulder E, Bershad E, Laing C, Eklund A, Malm J et al (2017) Intracranial and intraocular pressure during various degrees of head-down tilt. Aerosp Med Hum Perform 88(1):10–16

    Article  Google Scholar 

  16. Marshall-Goebel K, Mulder E, Donoviel D, Strangman G, Suarez JI, Venkatasubba Rao C et al (2017) An international collaboration studying the physiological and anatomical cerebral effects of carbon dioxide during head-down tilt bed rest: the SPACECOT study. J Appl Physiol 122(6):1398–1405

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. Marshall-Goebel K, Terlevic R, Gerlach DA, Kuehn S, Mulder E, Rittweger J (2017) Lower body negative pressure reduces optic nerve sheath diameter during head-down tilt. J Appl Physiol 123(5):1139–1144

    Article  CAS  Google Scholar 

  18. Puchalska M, Bilski P, Berger T, Hajek M, Horwacik T, Korner C et al (2014) NUNDO: a numerical model of a human torso phantom and its application to effective dose equivalent calculations for astronauts at the ISS. Radiat Environ Biophys 53(4):719–727

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. Schwartz R, Draeger J, Groenhoff S, Flade KD (1993) Results of self-tonometry during the 1st German-Russian MIR mission 1992. Ophthalmologe 90(6):640–642

    CAS  PubMed  Google Scholar 

  20. Stewart FA, Akleyev AV, Hauer-Jensen M, Hendry JH, Kleiman NJ, Macvittie TJ et al (2012) ICRP publication 118: ICRP statement on tissue reactions and early and late effects of radiation in normal tissues and organs—threshold doses for tissue reactions in a radiation protection context. Ann ICRP 41(1-2):1–322

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Strangman GE, Zhang Q, Marshall-Goebel K, Mulder E, Stevens B, Clark JB et al (2017) Increased cerebral blood volume pulsatility during head-down tilt with elevated carbon dioxide: the SPACECOT study. J Appl Physiol 123(1):62–70

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. Zeitlin C, Hassler DM, Cucinotta FA, Ehresmann B, Wimmer-Schweingruber RF, Brinza DE et al (2013) Measurements of energetic particle radiation in transit to mars on the mars science laboratory. Science 340(6136):1080–1084

    Article  CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Linder Höhe, 51147, Köln, Deutschland

    J. Jordan, C. E. Hellweg, E. Mulder & C. Stern

  2. Lehrstuhl für Luft- und Raumfahrtmedizin, Medizinische Fakultät, Universität zu Köln, Köln, Deutschland

    J. Jordan

Authors
  1. J. Jordan
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. C. E. Hellweg
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. E. Mulder
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. C. Stern
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to J. Jordan.

Ethics declarations

Interessenkonflikt

J. Jordan, C.E. Hellweg, E. Mulder und C. Stern geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Für diesen Beitrag wurden von den Autoren keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien. Für Bildmaterial oder anderweitige Angaben innerhalb des Manuskripts, über die Patienten zu identifizieren sind, liegt von ihnen und/oder ihren gesetzlichen Vertretern eine schriftliche Einwilligung vor.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Jordan, J., Hellweg, C.E., Mulder, E. et al. Von humanen terrestrischen Modellen zu neuen Präventionsansätzen für Augenveränderungen bei Astronauten. Ophthalmologe 117, 740–745 (2020). https://doi.org/10.1007/s00347-020-01133-2

Download citation

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00347-020-01133-2

Schlüsselwörter

Keywords

Search

Navigation