Blinde Passagiere an Bord

Corynebacterium diphtheriae

Natürlich ist es nicht wirklich überraschend: Auf der ISS tummeln sich nicht nur Astronauten und Versuchslebewesen, sondern auch Bakterien. Trotz gründlicher Vorsorge lässt sich das nicht ganz vermeiden, denn Menschen haben nun mal Bakterien an sich. Und nicht nur das: Man kann sogar einzelne Individuen lediglich anhand ihrer Mikroben-Signatur eindeutig voneinander unterscheiden.

Corynebacterium diphtheriae
Corynebacterium diphtheriae Credit: By Microrao (Own work) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons
Inzwischen hat man dank der DNA-Sequenzierung allerdings neue Methoden, um auch Art und Ausmaß der Kontamination auf der ISS genauer zu überprüfen. Das ist die eigentliche Nachricht an der Meldung, die in den vergangenen Tagen durch die Medien ging. Hier hat gerade das Ausmaß der Verunreinigung die Forscher nun doch überrascht, denn im Vergleich zur bakteriellen Belastung sogenannter “Clean Rooms” auf der Erde war – trotz umfangreicher Prophylaxemaßnahmen – die ISS wesentlich stärker verkeimt als Erstere. [1] *) Man vermutet, dass ein Teil der Mikroben über die Nutzlasten eingeschleppt wird, obwohl auch diese vor dem Verladen gründlich gereinigt werden.

Was auf der Erde ganz normal, relativ harmlos und in gewissem Ausmaß sogar nützlich ist (man denke nur an unsere Darm- und Hautflora), kann sich im Weltraum zu einem großen Problem auswachsen. Dies ist seit langem bekannt, und es sind mindestens drei Faktoren beteiligt, die derzeit weiter erforscht werden:

– Geschwächtes Immunsystem –
Erstens hat sich herausgestellt, dass längere Aufenthalte im All das Immunsystem der Astronauten schwächen. Stress, Strahlung und Schwerelosigkeit beeinträchtigen die Fähigkeit der Immunzellen, bestimmte Gene rechtzeitig zu aktivieren und so auf Viren, Bakterien, Pilze etc. zu reagieren. [2] [3] Die Signalübertragung wird erschwert [4], und obendrein verändert sich in der Schwerelosigkeit das Zytoskelett der Zellen. Sie verlieren somit an Motilität und können sich daher nicht mehr aktiv fortbewegen, um die Pathogene aufzuspüren und zu vernichten. [5]

– Stärkere Virulenz –
Damit jedoch nicht genug: Viele Erreger (darunter übrigens auch Karies) werden unter Schwerelosigkeit noch virulenter als sie unter irdischen Bedingungen ohnehin schon sind. Im Fall von Salmonellose-Erregern konnten Forscher 2007 nachweisen, dass dies mit dem RNA-bindenden Protein Hfq zusammenhängt. [6] Hfq spielt sehr vereinfacht ausgedrückt den Vermittler zwischen kleiner RNA und Boten-RNA. Es reguliert so in vielen Bakterien die Genexpression unter Stressbedingungen. Darüber hinaus weisen Bakterien unter anhaltender Schwerelosigkeit dickere Zellwände auf, sind widerstandsfähiger gegen Bekämpfungsmittel, haben einen größeren Hang, einen Bakterienrasen zu bilden und weisen zudem eine längere Überlebenszeit in menschlichen Fresszellen auf. [7] Zu allem Überfluss führt Schwerelosigkeit bei zahlreichen Bakterien auch noch zu einer erhöhten Toleranz gegenüber veränderten Temperaturen, osmotischen Verhältnissen und pH-Werten. [8]

– Verbreitungswege –
Unter irdischen Bedingungen sinken die Erreger irgendwann auf den Boden herab. In Raumfahrzeugen jedoch verbleiben sie in der Luft und können so viel leichter eingeatmet oder verschluckt werden, oder sich über das Belüftungssystem in sämtliche Winkel des Fahrzeugs bzw. der Station verteilen. Überdies liegt es in der Natur der Sache, dass Raumfahrzeuge zur Belüftung nicht auf Frischluft zurückgreifen können. Somit werden die Erreger ständig im Kreis herum geschickt.

Natürlich werden, wie oben bereits erwähnt, vor und auf Raumflügen schon heute eine Reihe von Prophylaxe- und Gegenmaßnahmen implementiert:

– Möglichst gründliche Reinigung aller Gegenstände, die auf die ISS gelangen,
– Check-Ups und Impfprogramme
– Quarantäne vor dem Flug
– Verwendung von Erreger abweisenden oder gar bekämpfenden Materialien
– Hygieneprogramme

Antibiotika scheinen zwar eine einfache Lösung zu sein, jedoch verzeichnen Forscher zunehmend Resistenzen. Man sollte sie daher so sparsam wie nur irgend möglich verwenden. Obendrein werden Antibiotika nicht von jedem vertragen und zerstören mit den Krankheitserregern oft auch Teile der Darmflora. Diese mit den wenig naturbelassenen Nahrungsmitteln der Astronauten wieder herzustellen, könnte schwierig sein. Es spricht also einiges dafür, der Vermeidung von Infektionen gegenüber der Bekämpfung den Vorrang zu geben.

Allerdings hat diese Strategie über längere Zeit unter Umständen auch Nachteile. Es gibt Hinweise darauf, dass statt der Infektionen dann verstärkt Autoimmunerkrankungen und Allergien auftreten könnten. [9] Diese sind oft noch schlechter behandelbar als akute Infektionen. Dennoch ist aber nicht von der Hand zu weisen, dass das Problem mit Bakterien in Raumfahrzeugen um so besser lösbar ist, je besser man Art und Ausmaß der Belastung kennt. Hier ist der neue Nachweisansatz über die DNA-Sequenzierung durchaus von Vorteil, denn man kann genauer identifizieren und gezielter bekämpfen.

Insgesamt gab es bisher rund 30 Infektionserkrankungen bei Besatzungsmitgliedern. Sie waren jedoch relativ gut behandelbar, und notfalls hätte man die Betroffenen auch relativ schnell zur Erde zurück holen können. Gerade auf erdfernen Langzeitflügen wird man allerdings erst recht darauf angewiesen sein, derartige Gefahren frühzeitig zu erkennen und einen Ausbruch der Infektion zu verhindern. Wann immer der erste erdferne Langzeitflug nun tatsächlich stattfinden mag…

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*) In den von Checinska, Probst etc. untersuchten Proben fanden sich unter anderem Schönheiten wie das Corynebakterium, welches Atemwegserkrankungen wie Diphterie hervorruft, und das Propionibakterium, ein Akne-Erreger, der aber auch Hirnabszesse und Arthritis verursachen kann. Derartige Erkrankungen sind gerade während einer Mission natürlich gelinde gesagt etwas unwillkommen.

Nachtrag:

P. acnes is considered an opportunistic pathogen that leads to various infections. Similar concerns refer to Corynebacterium, which has received attention for being a genus containing several opportunistic pathogens. Even though viable sequences of these opportunistic pathogens were retrieved from both ISS locations, their virulence characteristics are to be studied before correlating their influence on human health in a closed habitat. The risk of acquiring infection from opportunistic bacterial and fungal pathogens might pose a threat to crewmembers’ health and needs to be studied in the future.

Quelle: [1]

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In diesem Video erklärt Millie Hughes-Fulford ihre eigenen Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der T-Zellen-Aktivierung:

[1] Aleksandra Checinska, Alexander J. Probst et al.: “Microbiomes of the dust particles collected from the International Space Station and Spacecraft Assembly Facilities“, Microbiome 2015, 3:50 doi:10.1186/s40168-015-0116-3

[2] “The Human Immune System in Space“, American Society for Biochemistry and Molecular Biology (ASBMB), April 2013

[3] Millie Hughes-Fulford, Jim Boonyaratakanakornkit et al.: ““Spaceflight alters expression of microRNA during T cell activation”“, The Journal of Immunology, 2011, 186, 109.16

[4] Oliver Ullrich , Kathrin Huber, Kerstin Lang: “Signal transduction in cells of the immune system in microgravity“, Cell Communication and Signaling, December 2008, 6:9

[5] http://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Research/Goldfinger
sowie Michael R. Benoit, David M. Klaus: “Microgravity, bacteria, and the influence of motility“, Advances in Space Research, Band 39, Ausgabe 7, 2007, S. 1225 ff.

[6] J. W. Wilsona, C. M. Ott et al.: “Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq“, PNAS October 9, 2007 vol. 104 no. 41 16299-16304, doi: 10.1073/pnas.0707155104

[7] Leonard A. Mermel, “Infection Prevention and Control During Prolonged Human Space Travel“, Clin Infect Dis. 2013 Jan;56(1):123-30. doi: 10.1093/cid/cis861. Epub 2012 Oct 9.

[8] Jason A. Rosenzweig, Ohunene Abogunde et al.: “Spaceflight and modeled microgravity effects on microbial growth and virulence“, Appl Microbiol Biotechnol. 2010 January; 85(4): 885–891. Published online 2009 October 22. doi: 10.1007/s00253-009-2237-8

[9] H. Okada, C. Kuhn, H. Feillet, J.-F. Bach: “The ‘hygiene hypothesis’ for autoimmune and allergic diseases: an update“, Clin Exp Immunol. 2010 April; 160(1): 1–9. doi: 10.1111/j.1365-2249.2010.04139.x

Weitere Studien:
http://www.gizmag.com/nasa-esa-iss-microgravity-immune-system/35130/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11710376
http://www.jleukbio.org/content/92/6/1125.full
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/04/130422132504.htm

Ute Gerhardt

Ute Gerhardt hat nach dem Abitur einen B.A. in Wirtschaft, Sprachen und Politik an der Kingston University sowie eine Maîtrise in Industriewirtschaft an der Universiät Rennes abgeschlossen. Seit 1994 arbeitet sie in der Privatwirtschaft, derzeit im IT-Bereich. Ute hat zwei Kinder (*2005 und 2006) und interessiert sich neben Raumfahrt und Astronomie auch für Themen aus den Bereichen Medizin und Biologie.

14 Kommentare

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  2. Nein, wirklich gefährliche Bakterien scheinen sie auf der ISS nicht gefunden zu haben. Die gefundenen Corynebakterien sind wahrscheinlich harmlos, denn die Gattung ist vielfältig, Diphterie Auslösende waren kaum darunter sonst wäre das erwähnt worden. Der Bericht der NASA vergleicht ja die bakteriellen Verhältnisse auf der ISS mit einem Reinraum. Nur schon das zeigt, dass die bakteriellen Verhältnisse auf der ISS kaum desolat sind.
    Gut finde ich die Überlegungen zu Langzeitflügen. Strahlung und fehlende Gravitation scheinen tatsächlich gesundheitliche Probleme zu verursachen und das Immunsystem zu schwächen. Das spricht stark dafür auf solchen Langzeitflügen in den Mannschaftsräumen künstliche Gravitation wirken zu lassen und die Strahlung mit einem künstlichen Magnetfeld abzuhalten. In den Science Fiction Filmen Interstellar und The Martian gab es künstliche Gravitation. Die Technologie um genügend starke steahlungsablenkende Magnetfelder zu erzeugen, gibt es auch schon.

    • Nun, C. diphteria wurden hier – wie man meiner obigen Formulierung “Atemwegserkrankungen wie Diphterie” eigentlich klar entnehmenkann, – nur als Beispiel dieser Bakteriengruppe genannt, da Diphterie vielen ein Begriff ist. Sie hingegen scheinen es als absolute Behauptung aufgefasst zu haben, man habe C. diphteria auf der ISS gefunden.. Das habe ich so aber gar nicht geschrieben. Zufällig ist nur diese von all ihren Verwandten gerade am besten erforscht und bekannt. Mehr nicht.

      Aus der Nichterwähnung in den Meldungen mal eben salopp zu schließen, dass da wohl schon keine C. diphteriae in den Proben dabei gewesen sind, ist allerdings auch zu kurz gesprungen. Die Analyse fasst nämlich Gruppen zusammen. Die Coryne fallen in diesem Fall unter die Actinobakterien und stellen laut Text der Studie unter diesen auch noch die größte Untergruppe. http://www.microbiomejournal.com/content/supplementary/s40168-015-0116-3-s2.jpg Welche genau dabei waren, wissen wir nicht. Welche nicht dabei waren, wissen wir allerdings ebensowenig. Für den Zweck der Studie war es auch gar nicht nötig, das im Paper so dermaßen genau aufzudröseln. Vielleicht kennen die Autoren jedes einzelne gefundene Corynebakterium. Relevant ist das für die Bekämpfung dieser Gruppe aber nicht wirklich. Obendrein dürften die Astronauten wie das Gros der Bevölkerung der Industriestaaten gegen Diphterie geimpft sein (auf die Impfprogramme weise ich im Text ebenfalls hin…). Auch das könnte eine Erwähnung unnötig machen, falls man C. diphteriae gefunden haben sollte. Ob oder ob nicht vorhanden, warum oder warum nicht erwähnt ist also alles reine Spekulation.

      Auch die Behauptung, man habe da nichts wirklich Gefährliches gwfunden, entbehrt leider jeder Grundlage. Der ganze Text dreht sich schließlich darum, dass und warum Erreger, die uns auf der Erde nichts oder nur wenig ausmachen, in Raumfahrzeugen eben ganz andere Eigenschaften entwickeln können. Haben Sie meinen Text denn gar nicht gelesen?

      Strahlung und fehlende Gravitation scheinen tatsächlich gesundheitliche Probleme zu verursachen und das Immunsystem zu schwächen.

      Wie ich durch zahlreiche im Anschluss an den Artikel erwähnte Studien bereits selbst belegt habe… Ich verstehe daher nicht ganz, warum Sie darauf hinweisen? Das war ja nun gerade ein Teilaspekt eben jenes Textes, den Sie hier kommentieren.

      • Der Artikel wird mit einem Bild von Corynebacterium diphteriae eingeleitet, deshalb bin ich darauf eingegangen und deshalb hatte ich auch den Eindruck hier werde über schlimme bakterielle Verhältnisse auf der ISS berichtet.
        Später habe ich Strahlung und fehlende Gravitation erwähnt um Vorschläge zur Abhilfe machen zu können, als Einleitung (Teaser) genau so wie sie Corynebacterium diphteriae als Teaser benutzt haben.

        • Der Eindruck hätte sich schnell erledigt, wenn Sie nicht direkt auf das Bild angesprungen wären, sondern erst einmal in Ruhe alles gelesen hätten. Nun fährt die Diskussion schon seit dem ersten Kommentar auf einem absoluten Nebengleis. Als Blogger finde ich das einigermaßen ärgerlich, muss ich sagen.

          Künstliche Gravitation und Magnetfelder stehen für die ISS nicht zur Verfügung. Das ist ja auch eine Langzeitmission (auch wenn’s kein Langzeitflug zu einem weit entfernten Ziel ist). Einer der Astronauten verbringt dort oben ein ganzes Jahr, und die Erreger selbst dürften z. T. schon einige Aufenthaltsrekorde geknackt haben. Das Problem muss dort und derzeit also anders gelöst werden.

  3. Danke, Ute, für diesen ausgesprochen spannenden Beitrag, den ich gern bis zum Ende durchgelesen habe.
    Besonders wichtig ist der Hinweis, dass Bakterien sich auf der ISS unter Bedingungen der Schwerelosigkeit anders verhalten, in diesem Fall ansteckender werden können, als unter irdischer Schwerkraft.
    Ein sehr wichtiger Punkt ist auch, dass die Gesundheit der Astronauten anders “funktioniert”, Du hast das herabgesetzte Immunsystem ja erwähnt.
    Und die allgegenwärtige Verteilung der Bakterien in der Schwerelosigkeit ist wirklich ein großes Problem, weil sie sich so überall verbreiten und eingeatmet werden können. Damit unterlaufen sie die meisten schnell wirksamen Desinfektionsaktivitäten wie Händewaschen.
    Der Körper reagiert auf andere Umstände eben anders – andere Ernährung, andere Körperhygiene und dann noch die Klimaanlage können unerfreuliche Auswirkungen haben. Die Enge an Bord der ISS und die Luftumwälzung über die Klimaanlage führen ja schon bei längeren Luft- und Seereisen zu Erkrankungen, da möchte ich nicht wissen, was ein Langstrecken-Raumflug bedeuten würde.
    Ich habe bei Schiffsexpeditionen gesehen, wie Grippe sich über die Klimaanlage verteilt und eine Streptokokkeninfektion sich über mehrere Leute verteilt hat – nicht witzig.

    Zurzeit gibt es riesengroße Entwicklungen in der Biom-Forschung. Vielleicht muss man bei den Astronauten auf eine ganz neuartige Weise die Immunabwehr stärken und “organischer denken”. Z. B. auch durch eine Veränderung der Weltraumkost in Inhalt und Textur.
    Ich hatte da ein paar recht interessante Gespräche mit einer Darm-Expertin, hier der link zum Interview:
    http://scienceblogs.de/meertext/2014/05/25/interview-mit-giulia-enders-ueber-den-charme-des-darms-antibiotika-und-bronzetuerklinken/

    • Ah, sehr interessant, vielen Dank! 🙂 Weltraummedizin ist ohnehin das Themengebiet, das ich persönlich an der Raumfahrt am spannendsten finde. Da kann ich gar nicht genug Lektüre bekommen.

  4. – Möglichst gründliche Reinigung aller Gegenstände, die auf die ISS gelangen,

    Das ist sicher sinnvoll. Allerdings dürfte es schwierig sein, die Raumstation mit allen ihren Geräten hygienisch zu halten. Wenn Sie einmal eine Grossküche besichtigen – Hygiene ist da immer ein Thema – dann werden Ihnen die grossen glatten Flächen, meist Chromstahl, auffallen, sowohl was die Arbeitsflächen wie auch die Gerätschaften anbelangt. Der Grund ist, dass glatte Flächen einfach zu reinigen sind, Nischen, Ritzen und dergleichen sind unerwünscht. Möglicherweise wird das bei der Konstruktion der technischen Apparaturen nicht ausreichend beachtet, d.h sie sind nur schwer hygienisch zu halten.

  5. Ich denke, gerade bei erdfernen Flügen dürfte die Infektionsgefahr vergleichsweise gering sein. Problematisch sind dann vor allem (seltene, wenn überhaupt) Nachschublieferungen, die ungenügend gereinigt wurden, und Kontakte mit anderen Menschen nach langer Zeit, zum Beispiel wenn nach Jahren die Ablösemannschaft für eine Station auf dem Mars (oder wo auch immer) kommt.

    • In Kombination mit einem zunehmend geschwächten Immunsystem bin ich mir leider nicht so sicher, ob nicht auch ohne Kontakt zur Außenwelt das Risiko einer Infektion steigt. Zumal die Erreger sich ja auch verändern können.

      • Wahrscheinlich kommt es auf die Dauer an. Bei einigen wenigen Jahren sehe ich keine große Gefahr, aber bei Dutzenden von Jahren und länger stimme ich dir zu, da ist die Frage nicht mehr, _ob_ sich ein neuer, fieser Krankheitserreger entwickelt, sondern wann.
        Ohne neue oder neuentwickelte Krankheitserreger sehe ich aber keine Gefahr für eine Gruppe, die schon seit Monaten vor Abflug viel Zeit miteinander verbracht haben dürfte.
        (DAS wäre doch mal ein Thriller: Crew überlebt Mars und Abflug, wird dann aber kurz vor der Erde von einem mutierten Grippevirus dahingerafft…;))

        • Die Idee für das Buch gefällt mir! Falls du auf Hawaii Langeweile bekommen solltest, weißt du ja jetzt, was du tun kannst. 😉
          Ich weiß halt nicht, wie groß das Risiko ist, dass eine Astronautencrew nach dem Abflug noch mit Keimen und Pilzen in Berührung kommt, die nicht eh schon in ihrer Gruppe “etabliert” sind. An den Vorbereitungen sind ja immer auch noch andere Menschen beteiligt, die, wenn es dumm läuft, vielleicht die Fracht kontaminieren könnten. Wenn ich richtig informiert bin, war die Nutzlast da wohl tatsächlich eins der Probleme. Es wäre interessant, dazu mal jemanden zum Beispiel vom ENVIHAB oder von den UK Space LABS zu hören bzw. zu lesen.

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