Quelle: DLR 4. November 2022.

4. November 2022 – Am 6. November 2022 um 11:50 Uhr MEZ (5:50 Uhr Ortszeit) soll das unbemannte Cygnus-Raumschiff NG-18 vom Weltraumbahnhof Wallops Island in Virginia (USA) zur Internationalen Raumstation ISS starten. Mit an Bord sind mit der Mission „Cellbox-3“ molekularbiologische Experimente der Charité Berlin und der Goethe-Universität Frankfurt für die biomedizinische Forschung. „Die Forscherteams wollen mit den Experimenten den Einfluss der Weltraumbedingungen und der Schwerelosigkeit auf das Verhalten von Immun-, Nerven- und Muskelzellen untersuchen und damit grundlegende Funktionen des menschlichen Körpers ergründen“, erläutert Dr. Michael Becker, Cellbox-3-Projektleiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Ergebnisse sollen dabei helfen, effektive Therapien gegen Immunerkrankungen und Muskelschwäche für Menschen auf der Erde, aber auch für astronautische Langzeitmissionen zu entwickeln.“

Die biologischen Proben werden in insgesamt 18 speziellen Experimentcontainern für biologische Zellkulturen zur ISS transportiert. Jedes dieser Minilabore hat dabei lediglich die Größe eines Mobiltelefons. Auf der Raumstation angekommen werden die Container in einer Inkubationsanlage installiert. Mit Hilfe einer Zentrifuge können die Zellproben darin unter Schwerelosigkeit und unter normalen Schwerkraftbedingungen wie auf der Erde untersucht werden. Dieser Wechsel hilft den Forschenden dabei, die unterschiedliche Wirkung auf die Zellkulturen besser zu erkennen. Die Experimentdauer beträgt lediglich fünf Tage, danach werden die Proben fixiert. Am 3. Januar 2023 kehren die Cellbox-Container mit der CRS-26-Dragon-Raumkapsel zur Erde zurück und werden anschließend im Labor untersucht.

Wie interagieren Nerven- und Muskelzellen in der Schwerelosigkeit?
Die Charité Berlin erforscht mit dem Experiment NEMUCO (Nerve-Muscle Co-culture) den Einfluss von Schwerelosigkeit auf Muskel- und Nervenzellen. Die Forschenden wollen damit vor allem die Interaktion und Kommunikation von Nerven- und Muskelzellen untersuchen. Erkrankungen des Muskelapparats oder langfristige Immobilität führen zu einem starken Rückgang der Struktur und Funktion von Verbindungen zwischen Muskeln und Nerven, was sich erheblich auf die Muskelmasse und damit auf die feinmotorische Leistung auswirkt. Die Proteinzusammensetzung und -anordnung unter den verschiedenen Schwerkraftbedingungen geben den Forschenden Auskunft über die molekularen Mechanismen hinter der Muskelsteuerung. Die Erkenntnisse aus dem Experiment sollen bei der Entwicklung effizienterer Methoden zur Behandlung von Muskelschwächeerkrankungen beim Menschen auf der Erde helfen.

Welche Folgen hat Schwerelosigkeit auf Knochenmark und Immunsystem?
Neue Erkenntnisse über das angeborene Immunsystem erhofft sich die Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt im Rahmen des SHAPE-Experiments mit einem Sphäroidmodell des menschlichen Knochenmarks. Als Sphäroid bezeichnet man dabei eine dreidimensionale Anordnung von Zellen. Mit SHAPE (Spheroid Aggregation and Viability in Space) will das Forscherteam die Bildung und Lebensfähigkeit solcher dreidimensionalen zellulären Sphäroide im Weltraum messen und analysieren. Die Ergebnisse erlauben ein besseres Verständnis von Veränderungen der angeborenen Immunität gegen Krankheitserreger und dienen als Grundlage für die intensivere Erforschung der molekularen Ursachen für Veränderungen der Blutbildung im Knochenmark (Myelopoese).

Medizinische Forschung mit dem Cellbox-Programm
Das aktuelle Cellbox-Programm wurde im Jahr 2011 ins Leben gerufen mit dem Ziel, molekularbiologische und medizinische Forschung in Schwerelosigkeit zu ermöglichen. Im Oktober 2011 starteten die ersten Probenbehälter mit der Mission SIMBOX zur chinesischen Raumstation Shenzhou. Mit an Bord waren 17 biologischen und medizinischen Experimente. Mit SpaceX-3 wurde im April 2014 die Mission Cellbox-1 mit zwei Experimenten zur Internationalen Raumstation transportiert. Dabei wurden Krebs- und Immunzellen in Schwerelosigkeit untersucht. Cellbox-2 erforschte im Dezember 2017 Immun-, Nerven- und Krebszellen auf der ISS. Mit Celbox-3 werden diese Untersuchungen nun fortgesetzt.

Unterstützt wird Cellbox-3 vom Start-Up Unternehmen yuri GmbH aus Meckenbeuren, das als Hardwareentwickler für die Vorbereitung, Missionsplanung und Unterstützung der Wissenschaftler verantwortlich ist. Durchgeführt wird Cellbox-3 im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).

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Quelle: Charité.

11. November 2021 – Die Projekte beschäftigen sich mit der Überwachung der Körpertemperatur und der Muskeleigenschaften im All, einem verbesserten Training gegen Muskelabbau sowie veränderten Kontakten zwischen Zellen unter Schwerelosigkeit. Die einzelnen Experimente werden durch das nationale Raumfahrtprogramm der deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA koordiniert. Das DLR fördert die Projekte der Charité mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) von insgesamt über 1,5 Millionen Euro.

Am Donnerstagmorgen mitteleuropäischer Zeit hob die SpaceX-Trägerrakete vom Kennedy Space Center ab, dem Weltraumbahnhof der National Aeronautics and Space Administration (NASA) in Florida, USA. Die Mission „Cosmic Kiss“ bringt die vierköpfige Besatzung an Bord einer Crew-Dragon-Raumkapsel zur Internationalen Raumstation ISS, wo sie bis April 2022 bleiben soll. Auch der ESA-Astronaut Dr. Matthias Maurer ist – als 12. Deutscher im All und 4. Deutscher auf der ISS – Teil der Crew, neben drei US-amerikanischen Astronauten der NASA. Für ihn ist es der erste Raumflug, seit April 2020 bereitet er sich auf die Mission vor.

Der 51-jährige Materialwissenschaftler Dr. Maurer hat eine Reihe von Experimenten für den sechsmonatigen Aufenthalt eingeplant. Die deutsche Raumfahrtagentur im DLR ist für die Auswahl und Koordination der Experimente aus Deutschland verantwortlich, die bereits viele Stationen für die Erprobung durchlaufen haben – etwa auf Parabelflügen. Das beim DLR ansässige Columbus-Kontrollzentrum der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist für die Planung und Durchführung der Experimente zuständig, die im europäischen Columbus-Modul auf der ISS erfolgen sollen. Unter den über 100 Experimenten, die Dr. Maurer dort durchführen wird, sind 35 mit deutscher Beteiligung. Sie reichen von Grundlagenforschung bis hin zu anwendungsorientierter Forschung in lebens-, natur- und materialwissenschaftlichen Bereichen. Mit an Bord sind auch vier Projekte, an deren Entwicklung die Charité beteiligt ist.

„Wegen der vorherrschenden Schwerelosigkeit bietet uns die ISS einmalige Bedingungen. Hier lassen sich biologische und physikalische Vorgänge weitgehend ohne Störeffekte untersuchen, wie es in keinem Labor auf der Erde möglich wäre. Wir freuen uns über diese Gelegenheit und sind sehr gespannt, wie sich die Projekte bewähren“, sagt Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga, stellvertretender Direktor des Instituts für Physiologie der Charité und Sprecher des dort angesiedelten Zentrums für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB).

Die Projekte mit Beteiligung der Charité im Einzelnen:
Thermo-Mini
Die Physiologie des menschlichen Körpers ist an die Schwerkraft auf der Erde angepasst, so auch die Regulation der Körpertemperatur. Das Aufrechterhalten einer konstanten Körperkerntemperatur ist in der Schwerelosigkeit gestört, es kommt zu einem dauerhaften Temperaturanstieg – dem sogenannten Weltraumfieber. Damit Astronauten wie Dr. Maurer beim Sport oder bei Außenbordeinsätzen nicht überhitzen und ihre Gesundheit gefährden, wird im Projekt Thermo-Mini die Körperkerntemperatur und Tagesrhythmik durch einen miniaturisierten Thermosensor an einem Stirnband aufgezeichnet. Dieser sogenannte Wärmeflusssensor ermöglicht eine zuverlässige, schnelle und schmerzfreie Temperaturmessung kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg.

Die so gewonnenen Daten sollen klären, inwiefern der Mini-Thermosensor für einen Langzeiteinsatz im Weltall geeignet ist. Zukünftig könnten diese Messungen in die Standardüberwachung der Gesundheit von Astronautinnen und Astronauten aufgenommen werden. Aber auch in anderen extremen Arbeitssituationen – etwa in Bergwerken oder bei Feuerwehreinsätzen – könnten sie zum Einsatz kommen.

Myotones
Für die Besatzung der ISS ist ein geeignetes Muskelaufbautraining in der Schwerelosigkeit unabdingbar, um einem Abbau der Muskulatur und einer eingeschränkten körperlichen Leistungsfähigkeit vorzubeugen. Um Anzeichen eines Muskelabbaus nachvollziehen und entgegenwirken zu können, werden im Projekt Myotones die wichtigsten biophysikalischen Eigenschaften des Muskels dokumentiert. Während der gesamten Mission sowie davor und danach werden der Muskeltonus – also die Ruhespannung – sowie die Steifigkeit und Elastizität der ruhenden Muskulatur beim Astronauten kontinuierlich überwacht.

Für die Messungen verwendet der Astronaut das handliche Messgerät MyotonPRO, das etwa die Größe eines Smartphones hat. Mit dessen Hilfe können auf etwa zehn Hautmesspunkten am ganzen Körper die biophysikalischen Messparameter der darunterliegenden Strukturen wie Muskeln, Sehnen und Faszien – durch kurzes Aufsetzen eines kleinen Messfühlers – in Echtzeit ermittelt und gespeichert werden.

EasyMotion
Um das Muskeltraining während der Mission zu unterstützen, trägt der Astronaut für das Projekt EasyMotion während des Trainings auf der ISS einen speziell für die Raumfahrt qualifizierten Trainingsanzug. Durch die integrierten flachen Trocken-Elektroden wird die Muskulatur – durch sogenannte Elektro-Myo-Stimulation (EMS) mit kurzen niederfrequenten Impulsen – zusätzlich zu seinem Routinetraining unwillkürlich stimuliert. Auf diese Weise soll sich der Trainingserfolg in der Vorbereitung, während des Raumflugs sowie danach optimieren und die Trainingszeiten von derzeit etwa 2,5 Stunden pro Tag verkürzen lassen.

Wie die Muskeleigenschaften werden auch die Auswirkungen der EMS auf die Muskulatur im Zusammenhang mit dem gleichzeitig laufenden Myotones-Experiment alle 60 Tage gemessen. Die gesammelten Daten werden zeitnah zu einer Bodenstation der ESA in Toulouse, Frankreich, übermittelt und – zusammen mit dem Europäischen Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln – durch das Team am ZWMB der Charité ausgewertet.

Cellbox-3
Für die Funktionsfähigkeit der Muskulatur ist der Zellkontakt zwischen Nerven- und Muskelzelle an der sogenannten neuromuskulären Synapse essenziell. Das Projekt NEMUCO/ Cellbox-3 untersucht die strukturellen und funktionellen Veränderungen dieser Zellkontakte. Dabei wird deren Neubildung in Zellkultur erstmalig unter Schwerelosigkeit erforscht.

In einem speziellen vollautomatischen Mikrolabor werden dafür dreidimensionale Zellkulturen von isolierten Nervenzellen zusammen mit jungen Muskelzellen gezüchtet und für mehrere Tage auf der ISS unter kontrollierten Kulturbedingungen gehalten. Die Zellen werden noch in Schwerelosigkeit fixiert und die Proben nach dem Rücktransport zur Erde an der Charité eingehend ausgewertet. Neben mikroskopischen Untersuchungen werden auch Sequenzierungen der RNA und Analysen des Proteoms – also der Gesamtheit der Proteine – der Zellen erfolgen. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten sollen helfen, die molekularen Abläufe bei der Versorgung der Muskeln durch die Nervenzellen besser zu verstehen.

Wieder zurück auf der Erde sollen die Projekte der Charité unter anderem dabei helfen, Rehabilitations- und Trainingsprogramme in Zukunft zu optimieren. „Muskeltonus und -steifigkeit sind wichtige Indikatoren der Muskelgesundheit und nicht zuletzt der körperlichen Fitness und physiologischen Leistungsfähigkeit des menschlichen Körpers – ob im Weltall oder auf der Erde“, sagt Prof. Dr. Dieter Blottner vom Institut für Integrative Neuroanatomie und vom ZWMB der Charité. „Die nichtinvasive und leicht zu handhabende digitale Technologie, die wir für unser Projekt Myotones einsetzen, könnte neben dem Einsatz in der Sportmedizin und Physiotherapie zukünftig Anwendung finden – etwa bei der klinischen Untersuchung von Personen mit Bewegungsstörungen, Skelettmuskelerkrankungen oder -verletzungen. Auf diese Weise könnte die digitale Technologie im klinischen Alltag eine objektive Begutachtung des aktuellen Gesundheitsstatus von Patientinnen und Patienten sowie eine Kontrolle ihres Therapieverlaufs gewährleisten.“

Projektförderung und Partner
Die Experimente im Rahmen der Projekte Thermo-Mini, Myotones, EasyMotion (EMS-TECH) und NEMUCO/ Cellbox-3 werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Bonn mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert. Die wissenschaftliche Leitung der Projekte übernimmt das Zentrum für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB) am Institut für Physiologie der Charité. Thermo-Mini wird durch Prof. Dr. Hanns-Christian Gunga wissenschaftlich geleitet. Der miniaturisierte Sensor wurde von der Firma Dräger GmbH und der Charité entwickelt und von der KORA Industrie-Elektronik GmbH für die Nutzung im Weltraum angepasst. Die Projekte Myotones und EasyMotion werden von Prof. Dr. Dieter Blottner wissenschaftlich geleitet. Die Universität Southampton in Großbritannien unterstützt das Projekt Myotones. Der hierbei miniaturisierte Sensor wurde von der estnischen Firma Myoton AS entwickelt und für die Nutzung im Weltraum angepasst. EasyMotion wird durch das Europäische Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln begleitet. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurde von der EMS GmbH für die Nutzung im Weltraum entwickelt. Die Firma OHB System AG hat das System für die Mission angepasst. Das Zellexperiment Cellbox-3 im Rahmen von NEMUCO wird durch Dr. Michele Salanova vom Institut für Integrative Neuroanatomie der Charité wissenschaftlich geleitet, während mit SHAPE ein weiteres Zellexperiment unter Leitung der Johann-Wolfgang-Goethe-Universität in Frankfurt am Main erfolgt. Cellbox-3 wird auf der ISS in den vollautomatischen Mikrolaboren der Firma yuri GmbH durchgeführt.

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