Interstellar-Medizin – Wissenschaft für übermorgen

Interstellar-MedizinDer Schlüssel zu interstellaren Flügen liegt neben einem effektiven Sternenschiffantrieb und vielen weiteren wichtigen Dingen in einer vollautomatisierten Gesundheitsversorgung – Stichwort Interstellar-Medizin. Voraussetzung hierfür ist es, das medizinische Wissen über den Menschen digital abzubilden. Das Ziel ist, ein Diagnoseprogramm zu erstellen, das Messdaten zum Metabolismus verarbeiten und Krankheiten nicht nur erkennen, sondern auch vorhersagen kann. Allein das ist bereits eine ungeheure technologische Herausforderung. Es geht darum, winzigste Mengen von Stoffwechselprodukten innerhalb von Zellen zu messen.

Mit letzter Kraft schleppte sich Commander Montgomery in die Krankenstation der »Aeternum«. An Oberarm und Hüfte klafften tiefe Fleischwunden, die extrem stark bluteten. Ein Experiment im physikalischen Labor des Raumschiffes war gründlich aus dem Ruder gelaufen. Mit schmerzverzerrtem Gesicht öffnete er eine der zehn Medizinkapseln im MedLab und zog den Overall und die Unterwäsche aus. Mit unendlicher Anstrengung hievte sich der Astronaut laut aufstöhnend in die transparente Kammer. Die Schmerzen waren immens. Mit gequälter Miene schlug er mit der Handfläche auf einen roten Aktivierungsschalter. Die Glashaube sank herab, kaum das Montgomery auf der Liegefläche lag. Mit einem leisen Summen begann die autarke Versorgungseinheit mit der Analyse der Verletzungen. Nach wenigen Augenblicken beendete die Diagnoseeinheit die Arbeit und übergab genaueste Instruktionen an den Operationsroboter. Ein kleiner Greifarm injizierte dem Astronauten ein lokales Anästhetikum, das sofort zu wirkte. Und dann schossen drei filigrane Greifarme wir aus dem Nichts in Richtung der beiden Wunden und versorgten professionell die tiefen Fleischwunden. Die gesamte Behandlung dauerte unwesentlich länger als zehn Minuten. Montgomery war einmal mehr sehr froh darüber, die medizinischen Einheiten an Bord zu haben. Ein echter Doc hätte es kaum besser machen können. Die Hightech-Apparate hatten ihre Leistungsfähigkeit schon unzählige Male unter Beweis gestellt. Mit einem leisen Zischen öffnete der MedRobot die Glaskuppel – Montgomery war entlassen, das Bein so gut wie neu. Dankbar klopfte er gegen das Glas.

Genauso stellen sich Wissenschaftler eine medizinische Versorgung bei langjährigen Raummissionen vor. Man traf sich anlässlich deiner Tagung mit dem Titel »Virtual Human Crucible« auf Schloss Obermayerhofen im Herbst letzten Jahres. Hinter dem harmlos klingenden Workshop-Titel steckt pure Science-Fiction. Fünfundzwanzig internationale Forscher unterschiedlichster Sparten diskutierten hier, wie man es schaffen könnte autark agierende Krankenstationen bei Langzeitmissionen zu anderen Planeten oder Sternen zu entwickeln. Konkrete Ergebnisse waren natürlich nicht zu erwarten. Vielmehr ließen die Wissenschaftler ihrer Phantasie freien Lauf und debattierten über den langen Weg hin zur selbstbestimmt handelnden Medizinstationen. Und tatsächlich gab es als Resultat des Workshops eine Art Roadmap.

»Selbstredend ist es uns bewusst, dass wir technisch noch ganz am Anfang stehen«, erläutert Univ.-Prof. Dr.med.univ. Kurt Zatloukal von der Med-Uni Graz. »Dennoch ist es wichtig Fragen zu formulieren, was es braucht, um in Zukunft eine vollautomatisierte, autarke Gesundheitsversorgung zu etablieren. Es geht darum, einen Thinktank zu schaffen – quasi eine von wirtschaftlichen Zwängen befreite Umgebung – in der Wissenschaftler nach Herzenslust ihren Gedanken freien Lauf lassen können.«

Logischerweise steht für einen Langzeit-Interstellarflug keine klinische Basis zur Verfügung – das Personal auf einem entsprechenden Raumschiff müsste in der Lage sein, selbst die medizinische Initiative zu ergreifen versorgen – auch bei sehr schwierigen Fällen. Auf einen Stab von Ärzten und entsprechendes Fachpersonal zu bauen wäre unter Umständen fatal da diese temporär oder sogar ganz ausfallen könnten. Um die medizinische Gesundheitsversorgung, selbst bei einem Totalausfall des jeweiligen Personals zu gewährleisten, ist ein völlig autonom funktionierendes Gesundheitssystem absolut notwendig. Das muss so gut sein, dass es alle bekannten aber auch noch unbekannten Krankheiten, die während eines Langzeitraumflugs über mehrere Generationen auftreten, erkennt und behandelt. Zudem müsste ein derartiges System selbständig Medikamente produzieren und bestehende Medikationen an neue Gegebenheiten anpassen (zum Beispiel Antibiotika oder Impfstoffe auch für neu entstehende oder arzneimittelresistente Krankheitserreger). Eine gewaltige Herausforderung!

Ohne Datenbank keine Diagnostik

Im Verlauf des Treffens Schloss Obermayerhofen wurde schon sehr früh eines klar: Eine Schlüsselaufgabe ist es, das generelle medizinisch-biologische Wissen über einen Menschen mittels Computermethoden in einer Datenbank abzubilden, und zwar individualisiert durch Körperdaten des jeweiligen Patienten angepasst und ergänzt. Das gewünschte computerbasiertes Diagnosesystem muss in der Lage sein, den menschlichen Metabolismus, also den Stoffwechsel, komplett bis auf Zellebene hin darzustellen. Eine Analyse des Zellstoffwechsels eines Menschen liefert wertvolle Informationen über den Zustand des gesamten Organismus. So müssten automatisierte Gesundheitssysteme fähig sein, den Körper in Echtzeit zu beobachten und das ohne Proben durch invasive Maßnahmen. Vielmehr muss ein medizinischer Allround-Roboter die Ergebnisse einer Untersuchung anhand von Proben, gewonnen aus Harn oder Speichel, generieren, um eventuelle Krankheiten vorherzusagen. Eine extreme technologische wie diagnostische Herausforderung! Die Schwierigkeit hierbei ist, dass der Metabolismus von Mensch zu Mensch von unterschiedlicher Natur ist. Eine maschinelle Methode müsste also um entsprechend individualisiert Daten ergänzt und in den persönlichen Computermodellen eines jeden Langzeitraumfahrers abgebildet werden. Das personalisierte Gesundheits-Computer-Modell des Astronauten muss nicht nur Erkrankungen erkennen, weit schwieriger dürfte das Vorhersagen von Krankheiten sein.

Ein Weg dies zu erreichen und die Stoffwechselproduktion innerhalb von Zellen zu messen, wären etwa Metabolomanalysen, die bereits heutzutage in der Massenspektrometrie im Verbund mit Gaschromatografie und anderen Technolgien Einsatz finden. Im medizinischen Alltag setzen Ärzte die Methoden aktuell meist jedoch getrennt voneinander ein – wenn überhaupt. Zatloukal und dessen Kollegen schlagen vor, die Methoden zu kombinieren, um extrem präzise Ergebnisse in Sachen Zellstoffwechsel zu erhalten. Die Verarbeitung der Daten in entsprechenden Computer-Modellen würde laut seine Aussagen einen völlig neuen Ansatz im Bereich der Krankheitsprävention schaffen. Und das nicht nur im Weltall: Auch Gegenden auf unserem Planeten, die über keinerlei Gesundheitsversorgung verfügen, könnten von einer derartigen automatisierten Vorsorge Untersuchung ungemein profitieren.

Das «100 Year Starship Project«

Mit Interesse verfolgten die Mitarbeiter und Verantwortlichen des 100 Year Starship Projects der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) auf Schloss Obermayerhofen. Die Forschungsabteilung des US-Verteidigungsministeriums und der NASA sammelt seit Jahren Ideen für ein Genrationsraumschiff und stellen hierfür sogar einen Etat zu Verfügung – insgesamt rund eine Million US-Dollar. Ziel ist es, Erkenntnisse und Vorschläge zu sammeln, um ein Jahrhundertraumschiff zu entwickeln, das die Grenzen unseres Sonnensystems überwinden und sich Richtung anderer Galaxien bzw. Exoplaneten aufmachen soll. Ein heißer »Besuchskandidat« für einen lebensfreundlichen Planeten wäre das System um den Stern Gliese 581, der annähernd 20 Lichtjahre von der Erde entfernt leuchtet. Die Entfernung zu diesem Sonnensystem beträgt rund 189 Billionen Kilometer. Setzt man die Geschwindigkeit an, mit der die Apollo-Kapseln zum Mond reisten, ergibt das eine Reisedauer von 500.000 Jahren – ein selbst für die DARPA-Visionäre unzumutbar langer Zeitraum. Deshalb sind im Rahmen des Projektes vor allem Lösungen in Sachen Antriebstechnik aber auch der automatisierten Gesundheitsversorgung von höchstem Interesse. Schließlich sollen die Generationen auch lebendig und gesund am Ziel ankommen. Bis 2112 gibt man sich Zeit, um entsprechende Technologien für einen Interstellarflug zu entwickeln.

Und was ist bereits möglich?

In Großbritannien trat diesen Sommer erstmals eine künstliche Intelligenz (KI) gegen einen real existierenden Arzt sowie eine Krankenschwester an. Es ging darum, wer bei einem fiktiven Patienten die bessere Diagnose stellt. Zum Einsatz kam die Software »App« des britischen Gesundheitskonzern Babylon Health. Dabei musste entschieden werden, was anhand der der Symptome des Erkrankten als nächsten geschehen sollte. In der ersten Runde wurde der an Ohrenschmerzen leidende Kranke von der künstlichen Intelligenz an einen Allgemeinmediziner verwiesen, die Krankenschwerster hingegen riet ihm, eine Apotheke aufzusuchen. Zwar führten beide Vorgehensweisen zum Erfolg, doch war der Rat der KI die vorsichtigere Variante. Vorsprung für die KI! In der zweiten Runde kam es zum Duell zwischen der App und einem Mediziner. Beide waren sich einig, den Patienten zu einem Allgemeinmediziner zu schicken. Check erkannte jedoch im Gegensatz zum Arzt einen dringenderen Handlungsbedarf. Insgesamt wurde das »Gefecht« auf gleichem Level und ausgeglichen ausgetragen. Die App war allerdings sehr viel schneller und würde im realen medizinischen Alltag weites weniger Kosten verursachen, als ein Arzt bzw. Krankenschwester.

Interessanter hingegen fielen die Ergebnisse von Tests aus, die Babylon Health bereits im Vorfeld durchführte: Bei zusammen 102 fiktiven Patienten gab Check zu 100 Prozent sichere Empfehlungen. Zweiundneunzig Prozent der Empfehlungen von Check erhielten ein »Akkurat«-Siegel, was der durch Top-Ärzte definierten Referenz-Empfehlung entspricht. Die Ärzte und Krankenschwestern schnitten hier ein wenig schlechter ab: 97 Prozent der Diagnosen erhielten eine sichere Empfehlung und nur 77,5 Prozent eine Referenz-Empfehlung. Trotz der Studienergebnisse sehen Ärzte Diagnose-KIs eher als sinnvolle als Bedrohung. Sie könnten Hausärzte entlasten. Zudem sind Notaufnahmen an entsprechenden Systemen interessiert, da bereits während der Wartezeit eines Patienten mit einer Diagnostik begonnen werden könnte. Und auch die Ärzte und Wissenschaftler, die sich mit dem Bereich der Interstellar-Medizin beschäftigen, dürften derlei Forschungen mit Spannung verfolgen.

Kasten 1: Generationenraumschiffe – eine Frage des Antriebs und der menschlichen Psyche

Der Erfolg eines interstellaren Reiseprojektes, wie dem 100 Year Starship, hängt im Wesentlichen von der Entwicklung eines entsprechenden Antriebs ab. Wissenschaftler schätzen, dass sie Antriebssysteme in den kommenden 100 Jahren entwickeln könnten, die immerhin 1/10 bis 3/10 der Lichtgeschwindigkeit erreichen könnten. Kandidaten wären etwa  treibstofflose Staustrahltriebwerke, Sonnen- oder Lichtsegel, Mikrowellen- oder Fusionsantriebe sowie nukleare Detonationsantriebe. Die Wissenschaftler der DARPA hoffen jedoch auf Antriebsideen, die derzeit noch gar nicht vorstellbar sind, wie etwa die Nutzung von schwarzen Löchern oder gravitationsfreie Stellen im Weltall. Stichwort David Weber: Der Science Fiction-Autor und Visionär in Sachen interstellarem Antrieb beschreibt die Möglichkeit, dass ein Raumschiff ein kleines schwarzes Loch erzeugt, dieses vor sich herschiebt und durch das Hineinfallen in das selbige, immer höhere Geschwindigkeiten erzeugen kann. Hierfür wäre allerdings eine gewaltige Energiemenge notwendig, um ein schwarzes Loch zu erzeugen. Alleine um 10 Tonnen Nutzlast in 2 bis 3 Jahren auf 98% Lichtgeschwindigkeit zu bringen, benötigte man die Leistung von 40 Millionen Atomkraftwerken. Eine zugegebenermaßen sehr theoretische und abstrakte Idee. Aufbauend auf diesem Gedankenexperiment gibt es eine weitere Theorie, die besagt, dass es Null-Gravitationsstellen genau dort gibt, wo sich zwei schwarze Löcher »überlappen«. Extreme Theorien besagen, dass man genau diese gravitationsfreien Räume nutzen könnte, Massen auf Überlichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Es gibt viele Fragen und kaum Antworten auf derlei Gedankenexperimente, aber sie sind es, welche die Wissenschaft immer Stück weiter vorantreiben und den Erkenntnishorizont erweitern.

Ein weiteres Hauptproblem von Generationsschiffen sehen Psychologen im Menschen selbst. Es ist absolut nicht vorhersagbar, wie sich eine derart geschlossene Zivilisation entwickelt und zu welchen Störungen es kommen und inwiefern diese missionskritisch sein könnten. Zudem liegt in der Motivation der auf dem Schiff geborenen Generationen eine »Gefahrenquelle«, die vielleicht den Sinn der Reise hinterfragen. Welche politischen, kulturellen oder religiösen Strukturen kann es auf einem Generationenraumschiff geben? Sind diese in der Lage eine entsprechende Mission scheitern zu lassen? Nur wenn auch diese kulturell-philosophischen Fragen beantwortet werden können, ist eine Mission zu den Sternen möglich.

Kasten 2: Dr. Norbert Höß, ärztlicher Leiter der Neurochirurgie am »Medisch Spectrum Twente« in Enschede zu seiner Arbeit mit dem Renaissance Roboter von Mazor Robotics

»Es mag zunächst nach Science Fiction klingen. Fakt ist jedoch – Roboter in Operationssälen gehören längst zum Alltag in der Medizin. Dennoch stehen wir erst am Anfang, was automatisierte Operationen betrifft. Aber eines ist klar: Die Chirurgie wird zukünftig immer technischer werden. Roboter in Operationssälen werden uns immer mehr zu Hand gehen und zu unverzichtbaren Assistenten werden, denn unsere elektronischen Partner sind in der Lage Dinge zu leisten, die selbst erfahrene Chirurgen kaum vermögen. Trotzdem ist es für mich derzeit undenkbar, dass ein Roboter die Hauptarbeit einer OP übernimmt. Der Grund liegt auf der Hand: Während einer Operation müssen zu viele spontane Entscheidungen getroffen werden. Dennoch möchte ich keinesfalls auf meinen stählernen Kollegen »Renaissance« verzichten. Gerade bei Operationen an der Wirbelsäule ist es von entscheidender Bedeutung unbedingt exakt zu arbeiten. Und genau hier an dieser Stelle kann der elektronische Helfer seine Stärken maßgebend ausspielen. Unser Roboter ist in der Lage die Bewegungen eines Arztes problemlos auf eine andere Größenordnung herunterzubrechen. Nur so ist es uns möglich, die zuvor mehrfach am Rechner simulierte Operation hochpräzise im Zehntel-Millimeter-Bereich auszuführen.«

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