Die Kopf-Tief-Lagerung (Head-Down Tilt Bed Rest; HDTBR) ist ein terrestrisches Analogmodell zur Untersuchung der Pathophysiologie des Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome (SANS).
SANS ist ein Syndrom, das durch die Flüssigkeitsverschiebung zum Kopf während der Raumfahrt verursacht wird. Die Hauptbefunde sind Papillenödem, Abflachung des Augapfels, Hyperopisierung und Aderhautstauung. Bei etwa 70 % der Astronauten werden einige Befunde beobachtet. Früher wurde es als Visual Impairment and Intracranial Pressure (VIIP)-Syndrom bezeichnet 1).
HDTBR ist seit 1990 ein international etabliertes terrestrisches Analog, das aus längerer Bettruhe mit einer Kopfneigung von -6 Grad besteht. Parabelflüge haben eine zu kurze Expositionszeit, um SANS-ähnliche Symptome auszulösen, daher wird HDTBR bevorzugt, das eine kontinuierliche Flüssigkeitsverschiebung reproduzieren kann 1).
Frühe 70-tägige HDTBR-Studien induzierten keine SANS-Befunde. Als Ursache wurde vermutet, dass die Verwendung von Kissen oder die Abstützung der Unterarme den intrakraniellen Druck (ICP) gesenkt haben könnte. Später führte die Einführung eines strengen Protokolls, das Kissen und Armstützen verbot, erfolgreich zur Induktion von Aderhautfalten und Papillenödem1).
Bei Kurzzeitmissionen (unter 6 Monaten) berichten 29% der Astronauten über eine Verschlechterung der Sehschärfe aufgrund von Weitsichtigkeit, bei Langzeitmissionen (6 Monate oder länger) sind es 60%1).
QWarum ist die HDTBR auf einen Winkel von 6 Grad eingestellt?
A
Seit 1990 ist eine 6-Grad-Kopfneigung als internationaler Standardanalog für Mikrogravitation etabliert. Dieser Winkel induziert kontinuierlich eine Flüssigkeitsverschiebung zum Kopf hin, ähnlich wie bei Weltraumflügen.
Kopfschmerzen: In der frühen Phase der Studie treten pulsierende, drückende und beidseitige Kopfschmerzen auf. Sie werden auf die Flüssigkeitsverschiebung zum Kopf zurückgeführt.
Geringe Auswirkung auf die Sehfunktion: Die experimentellen Bedingungen beeinträchtigen die Sehfunktion der Teilnehmer nicht wesentlich. Kein Proband erlebte eine schwere Sehstörung.
Leichte Myopisierung: Durch anhaltende Naharbeit kann eine vorübergehende Myopie auftreten.
Kognitive Veränderungen (bei SANS-Entwicklern): In der hyperkapnischen HDTBR-Studie zeigten SANS-Entwickler eine erhöhte Abhängigkeit von visuellen Hinweisen in kognitiven Tests1).
QKann das Sehvermögen bei HDTBR abnehmen?
A
Sehschärfe- und Refraktionstests bleiben im Normalbereich. Auch Amsler-Test, Rotpunkttest, Konfrontationsgesichtsfeld und Farbsehtest zeigen keine signifikanten Veränderungen. Kein Proband berichtete über schwere Sehstörungen.
Die wichtigsten Befunde der Augenveränderungen, die bei HDTBR beobachtet werden, sind im Folgenden aufgeführt.
RNFL-Verdickung: Nach 14 Tagen HDTBR nimmt die obere peripapilläre Netzhautdicke im Durchschnitt um +4,69 μm zu, nach 70 Tagen HDTBR um durchschnittlich +11,50 μm1).
Papillenödem: Nach strengem 30-tägigem HDTBR wurde bei 45 % der Probanden ein Papillenödem vom Frisén-Grad 1–2 beobachtet1). Probanden mit 30-tägigem HDTBR neigen zu einem stärkeren Papillenödem als Astronauten.
Peripapillärer TRT-Anstieg: Probanden mit strengem HDTBR zeigen einen größeren peripapillären TRT-Anstieg als Astronauten (mittlere Differenz 37 μm)1).
Aderhautfalten: Sie können auch ohne Zunahme der Aderhautdicke auftreten.
Veränderungen der Aderhautdicke: In kurzfristigen 3-Tage-Studien wurde ein statistisch signifikanter Anstieg festgestellt. Nach 60 Minuten HDT wurde eine Zunahme der subfovealen Aderhautdicke bestätigt1). Andererseits haben Astronauten eine größere Zunahme der Aderhautdicke als HDTBR-Probanden (mittlere Differenz 27 μm)1).
Erweiterung der Optikusscheide : bestätigt durch Orbitasonographie bei 60-minütiger HDT, ähnlich den Befunden bei Astronauten einen Monat nach dem Flug 1).
Anstieg des Augeninnendrucks : +1,42 mmHg in 14 Tagen, +1,79 mmHg in 70 Tagen, jedoch beide im Normalbereich.
Befunde, die bei HDTBR nicht beobachtet werden, sind Abflachung des Augapfels, Hyperopisierung und Cotton-Wool-Flecken 1). Sehschärfe, Refraktion, Achsenlänge, Vorderkammertiefe und Hornhautkrümmung zeigen ebenfalls keine signifikanten Veränderungen.
Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der wichtigsten Befunde zwischen HDTBR und SANS (Weltraumflug).
Der grundlegende Mechanismus der HDTBR ist die Flüssigkeitsverschiebung in Richtung Kopf aufgrund der Änderung der Richtung des auf den Körper wirkenden Gravitationsvektors. Dies induziert ähnliche Veränderungen der Flüssigkeitsverteilung wie unter Mikrogravitation.
Zu den beitragenden Faktoren gehören Druckunterschiede durch die Lamina cribrosa, Aderhautstauung, Verschiebung des Hirnvolumens, Ausrichtung von Kollagenfaserbündeln und hydrostatische Flüssigkeitsverteilung.
Die wichtigsten Risikofaktoren sind die folgenden.
HDTBR-Dauer : der größte Risikofaktor. Eine 70-tägige HDTBR zeigt im Vergleich zu 14 Tagen eine etwa 2,5-fach stärkere Zunahme der peripapillären Netzhautdicke.
Myopie : Personen mit mittlerer Myopie weisen einen höheren Spitzenaugendruck (19,8 mmHg vs. 18,6–18,7 mmHg) und einen signifikant größeren Augeninnendruckanstieg auf als Personen mit Emmetropie oder leichter Myopie1).
Genetische Veranlagung : Träger der MTRR 66G- und SHMT1 1420 C-Allele zeigen Berichten zufolge ein stärkeres Papillenödem1). Es handelt sich um Genpolymorphismen, die am Vitamin-B-Stoffwechsel beteiligt sind.
Anatomische Merkmale der Papille : eine dichte Papille mit kleiner Exkavation könnte ein Risikofaktor sein.
Frühere HDTBR-Exposition : Bei mehrfach teilnehmenden Probanden wurde ein mehr als zweifacher TRT-Anstieg im Vergleich zum vorherigen Wert berichtet, was darauf hindeutet, dass wiederholte Exposition das Risiko erhöhen könnte.
QErhöht sich nach einer HDTBR das Risiko für eine erneute Exposition?
A
Bei Probanden, die an mehreren HDTBR-Experimenten teilnahmen, wurde ein Anstieg des TRT um mehr als das Doppelte im Vergleich zum vorherigen Wert berichtet. Wiederholte Exposition könnte das Risiko erhöhen, was bei der Auswahl der Studienteilnehmer berücksichtigt werden sollte.
Die wichtigsten Untersuchungsmethoden zur Beurteilung und Überwachung der bei HDTBR beobachteten Augenveränderungen sind im Folgenden aufgeführt.
OCT (Optische Kohärenztomographie) : Ermöglicht die quantitative Bewertung von RNFL-Verdickung, Papillenödem und Aderhautdickenveränderungen. Auch Veränderungen der Bruch-Membran sind beobachtbar. Das Heidelberg Spectralis (OCT2) bietet eine höhere digitale Auflösung.
OCTA (OCT-Angiographie) : Nicht-invasive dreidimensionale Angiographiemethode, die seit Dezember 2018 auf der ISS eingesetzt wird. Sie ermöglicht die Bewertung von Gefäßveränderungen der Netzhaut und Aderhaut1).
MRT : Kann die Erweiterung der Sehnervenscheide, die Schlängelung des Sehnervs und Veränderungen der Glaskörpertiefe quantifizieren. Mit der Phasenkontrast-MRT können Blutfluss, Querschnittsfläche und Blutflussgeschwindigkeit in der Vena jugularis interna, der Arteria vertebralis und der Arteria carotis interna gemessen werden.
Orbita-Ultraschall : eine einfache Methode zur Erkennung einer Erweiterung der Optikusscheide1).
Nicht-invasive ICP-Messung (Forschungsstadium) : Die direkte ICP-Messung mittels Lumbalpunktion ist invasiv und während des Fluges nicht möglich. Phasenänderungen der Distorsionsprodukt-Otoakustischen Emissionen (DPOAE) werden als potenzielles nicht-invasives ICP-Überwachungsinstrument untersucht 1). Okuläre vestibulär evozierte myogene Potenziale (oVEMP) werden ebenfalls als nicht-invasives ICP-Überwachungsinstrument in Betracht gezogen, da sie mit dem Kopfneigungswinkel zusammenhängen 1).
Gen- und Blutuntersuchungen : Die Bestimmung der Vitamin-B-Spiegel und der SNPs (MTRR 66G, SHMT1 1420C) wird zur Risikofaktorbewertung eingesetzt.
Die grundlegenden augenärztlichen Untersuchungen (Sehschärfe, Refraktion unter Zykloplegie, Fundus, Amsler-Gitter, Farbsehen usw.) bleiben alle im normalen Bereich.
HDTBR ist ein experimentelles Modell und keine „Behandlung“ im üblichen Sinne. Im Folgenden werden die Forschungsergebnisse zu Gegenmaßnahmen gegen SANS vorgestellt.
LBNP
Unterkörper-Unterdruck (LBNP) : Nicht-invasive Methode, bei der durch Unterdruck am Unterkörper Flüssigkeiten zurück in die Peripherie gezogen werden.
Evidenz : -20 mmHg LBNP unterdrückte die Zunahme des Optikusscheidendurchmessers und dämpfte die Aderhautausdehnung nach 3 Tagen HDTBR um 40 %1). Auch die Zunahme des Liquorvolumens nach 5 Stunden HDTBR wurde unterdrückt1).
Bewertung : Derzeit als vielversprechendste Gegenmaßnahme angesehen.
Oberschenkelmanschette
Venöse Kompressionsmanschette (VTC) : Bei ISS-Besatzungsmitgliedern wurde eine Verringerung der kardialen Vorlast und der Dilatation des Jugularvenensystems berichtet. Dies verringert das Schlagvolumen, die Querschnittsfläche der Vena jugularis interna und den Augeninnendruck.
Grenzen : Keine direkte Wirkung auf CSF-Verteilung oder ICP. Kein signifikanter Unterschied in der peripapillären Aderhautdicke oder dem Sehnervenscheidendurchmesser bei 15° HDT + 60 mmHg Oberschenkelmanschette für 10 Minuten1).
Künstliche Schwerkraft
Künstliche Schwerkraft durch Zentrifuge: Tägliche 30-minütige Zentrifugenexposition.
Grenzen : Eine 30-minütige Exposition reichte nicht aus, um Aderhautfalten und Papillenödem zu unterdrücken. Mögliche Ursachen sind eine begrenzte Expositionsdauer, unzureichende G-Kräfte auf Augenhöhe und die Beteiligung unterschiedlicher zugrunde liegender Mechanismen 1).
In einer Studie mit 70-tägiger nicht-hyperkapnischer HDTBR unter Verwendung des NASA iRAT-Protokolls (integriertes Widerstands- und Ausdauertraining) wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen der Trainings- und der Kontrollgruppe hinsichtlich Netzhautdicke und Papillenödem festgestellt 1). Allerdings wurde in der Trainingsgruppe ein leicht erhöhter Augeninnendruck (weniger als 1 mmHg) beobachtet. Kurze, moderate aerobe Übungen, Widerstandstraining und hochintensives Intervalltraining wurden mit einer Senkung des Augeninnendrucks in Verbindung gebracht 1).
QWarum wird Unterdruck im unteren Körperbereich (LBNP) als vielversprechende Gegenmaßnahme angesehen?
A
Ein LBNP von -20 mmHg zeigte eine Unterdrückung der Zunahme des Sehnervenscheidendurchmessers, eine 40%ige Abschwächung der Aderhautausdehnung nach 3 Tagen HDTBR und eine Unterdrückung des Anstiegs des Liquorvolumens 1). Der Mechanismus, Flüssigkeiten zurück zur Peripherie zu ziehen und so die Flüssigkeitsverschiebung zum Kopf hin direkt zu hemmen, wird als überlegen gegenüber anderen Gegenmaßnahmen angesehen.
Grenzen : Lumbalpunktion nach dem Flug zeigt normal bis leicht erhöht (21–28,5 cm H₂O). Keine typischen IIH-Symptome (Kopfschmerzen, pulsierender Tinnitus). Papillenödem persistiert 6 Monate nach dem Flug, während es bei IIH mit Druckabfall schnell zurückgeht. Allein durch erhöhten ICP nicht erklärbar.
Hypothese der Liquorkompartimentierung
Mechanismus : In Mikrogravitation steigt der Liquordruck in der Optikusscheide lokal durch einen Einwegventilmechanismus. Der Druckausgleich mit dem kranialen Subarachnoidalraum ist unvollständig.
Bedeutung : Erklärt, warum das Papillenödem trotz normalem bis leicht erhöhtem ICP bestehen bleibt.
Hypothese der Hirnverschiebung nach oben
Mechanismus: In Mikrogravitation dreht und verschiebt sich das Gehirn leicht nach oben, wodurch das Chiasma opticum nach oben gezogen und die Sehnervenscheide komprimiert wird.
Nachweis: MRT zeigte eine Zunahme der Sehnervenlänge nach dem Flug (0,80 ± 0,74 mm)1).
Es gibt mehrere wichtige Unterschiede zwischen HDTBR und Weltraumflügen.
Ausmaß der Aderhautausdehnung: Bei HDTBR ist die Aderhautausdehnung nicht so stark wie bei Weltraumflügen, da die Schwerkraft in der vertikalen Achse (Gz) noch vorhanden ist und Gewebegewicht erzeugt.
Mechanismus der Aderhautfaltenbildung: Bei HDTBR können Aderhautfalten ohne Zunahme der Aderhautdicke auftreten, was darauf hindeutet, dass eine Aderhautverdickung keine notwendige Bedingung für Faltenbildung ist.
Augeninnendruckänderung: Bei HDTBR kommt es zu keiner Senkung des Augeninnendrucks, daher ist der Mechanismus der Bildung von Aderhaut-Netzhaut-Falten durch die Kombination von Augeninnendrucksenkung und ICP-Anstieg nicht anwendbar.
Vergleich mit IIH: Nur 10 % der IIH-Patienten mit Papillenödem weisen im SD-OCTAderhautfalten auf, und ein alleiniger ICP-Anstieg kann nicht bei allen Patienten Aderhautfalten auslösen.
Ausmaß des ICP-Anstiegs: HDTBR-Probanden können einen etwas höheren ICP als Astronauten erfahren, was zur unterschiedlichen Schwere des Papillenödems beitragen könnte.
Laut der Übersichtsarbeit von Ong et al. (2021) nimmt die zerebrale Perfusion bei allen Probanden während HDTBR ab. Probanden, die SANS-Symptome entwickelten, behielten jedoch eine höhere Perfusion als Nicht-Entwickler1).
Unter hyperkapnischen Bedingungen (ca. 4 mmHg PCO₂) wurden keine signifikanten Veränderungen der zerebrovaskulären Reaktivität oder der hyperkapnischen Ventilationsantwort festgestellt1).
Einführung der OCTA auf der ISS (Dezember 2018) : Durch den Vergleich von Netzhautgefäßdaten während Weltraumflügen mit HDTBR-Ergebnissen erhofft man sich ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Flüssigkeitsverschiebungen auf den Netzhaut- und Aderhautkreislauf1).
Entwicklung nicht-invasiver ICP-Messmethoden: Phasenänderungen der otoakustischen Emissionen (OAE) werden als Kandidaten für die ICP-Überwachung im ISS untersucht, und Tests in HDTBR laufen1). oVEMP wird aufgrund seines Zusammenhangs mit dem Kopfneigungswinkel ebenfalls als vielversprechendes nicht-invasives ICP-Überwachungswerkzeug angesehen1).
Anpassung an die Ära des privaten Weltraumtourismus : Mit dem Aufkommen privater Raumfahrtunternehmen wie SpaceX und Blue Origin könnte die kurzfristige HDTBR für das Screening der Empfindlichkeit gegenüber dem kopfwärtigen Flüssigkeitsshift bei der Allgemeinbevölkerung eingesetzt werden 1).
Genetisches Screening: MTRR- und SHMT1-Polymorphismen wurden als Risikofaktoren identifiziert, und es wird erforscht, ob HDTBR für das genetische Screening von Astronautenkandidaten eingesetzt werden kann1).
Ungeprüfte Gegenmaßnahmen: Viele Gegenmaßnahmen wie Diättherapie, Vitaminergänzung, topische Medikamente, orale Medikamente usw. sind noch ungeprüft1).
Herausforderungen für bemannte Marsmissionen: Für Marsmissionen von 1 bis 3 Jahren ist es dringend erforderlich, die Pathophysiologie von SANS aufzuklären, Risikofaktoren zu identifizieren und Gegenmaßnahmen zu entwickeln1).
Als terrestrisches Analogon hat HDTBR die folgenden Einschränkungen 1): kleine Stichprobengröße, Schwierigkeiten bei der Rekrutierung von Probanden, Unterschiede in der körperlichen Fitness im Vergleich zu Astronauten, fehlende Standardisierung des Protokolls und das Vorhandensein von Bedingungen, die nicht mit dem Raumflug übereinstimmen, wie z. B. Rückenkontakt.
Ong J, Lee AG, Moss HE. Head-Down Tilt Bed Rest Studies as a Terrestrial Analog for Spaceflight Associated Neuro-Ocular Syndrome. Front Neurol. 2021;12:648958.
Taibbi G, Cromwell RL, Zanello SB, Yarbough PO, Ploutz-Snyder RJ, Godley BF, et al. Ocular Outcomes Comparison Between 14- and 70-Day Head-Down-Tilt Bed Rest. Invest Ophthalmol Vis Sci. 2016;57(2):495-501. PMID: 26868753.
He Y, Karanjia R, Zhang X, Wanderer D, Walker E, Lee SH, et al. Optic Nerve Vasculature and Countermeasure Assessment in a Bedrest Analogue of Spaceflight-Associated Neuro-Ocular Syndrome. Am J Ophthalmol. 2025;278:317-327. PMID: 40545016.
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