Quelle: TU Dresden.

26. Januar 2022 – In den letzten Jahren haben eine ganze Reihe von spektakulären Weltraummissionen wie Landungen von Robotern auf dem Mars und auf der erdabgewandten Seite des Mondes stattgefunden, die eindrucksvoll demonstrieren, welche technischen Möglichkeiten inzwischen zu Verfügung stehen. Dies eröffnet neue Perspektiven für bemannte Missionen zunächst zum Mond (auf dem zuletzt 1972 Astronauten gelandet sind), später aber auch zum Mars. Um das Risiko für die Astronaut*innen bei solchen sehr lange dauernden Expeditionen möglichst gering zu halten, forschen die internationalen Raumfahrtagenturen intensiv daran, von der Erde unabhängige Systeme zu entwickeln, die bei technischen, aber auch gesundheitlichen Problemen eingesetzt werden können. Während Crew-Mitglieder auf der Internationalen Raumstation ISS bei Eintreten eines Notfalls immer sehr kurzfristig auf die Erde zurückkehren können, ist dies bei einer Marsmission aus verschiedenen Gründen, wie der Bahnmechanik oder den verfügbaren Ressourcen, ausgeschlossen.

Eine zentrale Rolle bei solchen Notfallsystemen spielen die additiven Herstellungsverfahren, oft vereinfachend als 3D-Druck bezeichnet. Im technischen Bereich lassen sich damit einerseits große Strukturen unter Nutzung der vorgefundenen Ressourcen erzeugen und andererseits schnell und flexibel Ersatzteile für Raumschiff oder Bodenfahrzeuge herstellen. Aber auch beim Auftreten ernsthafter gesundheitlicher Probleme, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Verletzung, kann der 3D-Druck helfen. Hier kommt das sogenannte „Bioprinting“ ins Spiel, welches das dreidimensionale Drucken lebender Zellen zu gewebeartigen Konstrukten beschreibt. Das Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung – eine Zentrale Wissenschaftliche Einrichtung von Universitätsklinikum und Medizinischer Fakultät der TU Dresden unter der Leitung von Prof. Michael Gelinsky – gehört zu den deutschlandweit führenden und auch international erfolgreichen Laboren auf dem Gebiet des Bioprintings.

Beauftragt und finanziert durch die Europäische Weltraumagentur ESA und zusammen mit dem Bremer Weltraumtechnologie-Konzern OHB hat das Zentrum 2018 begonnen, den möglichen Einsatz des Bioprintings bei Weltraummissionen zu untersuchen; ein damals völlig neues Thema. Neben der Herstellung von Ersatzgeweben, beispielsweise zur Behandlung von schweren Verletzungen der Haut oder komplexen Knochenbrüchen, können mit dem Bioprinting auch sehr definierte Gewebemodelle erzeugt werden, an denen z. B. auf der ISS der Einfluss der Weltraumbedingungen wie Schwerelosigkeit und kosmische Strahlung auf Zellen und Gewebe untersucht werden können. Um Wissenschaftler*innen diese Möglichkeit der lebenswissenschaftlichen Grundlagenforschung zu eröffnen und den Einsatz des Bioprintings in der Weltraummedizin weiter zu erforschen hat die ESA inzwischen beschlossen, einen 3D-Bioprinter für das Biolab im Columbusmodul der ISS zu bauen. Dieser soll dort ab 2025 für Experimente zu Verfügung stehen. Derweil hat die ESA das Bioprinting-Labor von Prof. Gelinsky und Dr. Anja Lode in Dresden zu einer „ESA Ground-Based Facility“ erklärt, was europäischen Forscher*innen die Möglichkeit gibt, unterstützt durch die ESA in Dresden vorbereitende Untersuchungen mit der dort vorhandenen, hervorragenden Ausstattung und beraten durch die Dresdner Expert*innen durchzuführen.

Um diese Entwicklungen und Möglichkeiten auch international weiter bekanntzumachen werden die ESA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die TU Dresden am 15. & 16. März in Dresden einen Workshop zum Thema „Bioprinting im Weltraum“ veranstalten. Dieser soll dem Austausch zwischen Astronauten, Bioprinting-Experten und Fachleuten auf dem Gebiet lebenswissenschaftlicher Forschung im Weltraum dienen und Experimente anregen, welche zur Vorbereitung des Einsatzes der Bioprinting-Technologie auf der ISS notwendig sind.

Ein „in situ-Hautdrucker“ hat derweil schon den Weg auf die ISS gefunden: ein vom DLR beauftragtes und von OHB gebautes Gerät, mit dem ein zellhaltiges Hydrogel zur Beschleunigung der Heilung direkt auf eine Wunde aufgebracht werden kann, wird von Matthias Maurer im Rahmen seines aktuellen, sechsmonatigen Aufenthalts auf der ISS mit Modellmaterialien getestet werden. Die zugehörige ESA-Weltraummission trägt den schönen Namen „Cosmic Kiss“. Professor Gelinsky von der TU Dresden ist als wissenschaftlicher Berater von der Erde aus mit dabei.

Publikation:
N. Cubo Mateo, S. Podhajsky, D. Knickmann, K. Slenzka, T. Ghidini, M. Gelinsky: Can 3D bioprinting be a key for exploratory missions and human settlements on the Moon and Mars? Biofabrication 2020, 12, 043001.

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: DLR.

Ähnliche Veränderungen wurden auch im Simulationsmodell für Schwerelosigkeit, der Bettruhe in 6 Grad-Kopftieflage, beobachtet. Unter Zuhilfenahme dieses Modells versucht man Maßnahmen zu entwickeln, die diesen gesundheitlichen Folgen der Schwerelosigkeit entgegenwirken können. In Bezug auf den Knochen zeigt das alkalische Mineralsalz Kaliumbikarbonat, als Ergänzung zur heute üblichen Ernährungsweise, in mehreren Untersuchungen einen positiven Einfluss auf den Knochen. Der Schwächung des Immunsystems könnte mit einer Gabe von Osteopontin, einer Substanz, die in der Muttermilch vorkommt, und immunstimulierend sowie entzündungshemmend wirkt, entgegengewirkt werden.
In einer geplanten Studie soll daher untersucht werden, inwiefern dem Knochenabbau und den verringerten Immunfunktionen in Bettruhe durch die Gabe von Kaliumbikarbonat und Osteopontin entgegengewirkt werden kann.

Zu diesem Zweck sollen in drei zusammenhängenden Versuchsreihen von je 33 Tagen stationär acht Probanden untersucht werden. Die Studienphasen innerhalb einer Versuchsreihe unterteilen sich in 6 Tage Eingewöhnung, 21 Tage Bettruhe und 6 Tage Erholung im Stoffwechsellabor des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Köln. Die 21 Tage Bettruhe werden in den einzelnen Versuchsreihen mit einer Kaliumbikarbonatgabe und einer Kombinationsgabe von Osteopontin + Kaliumbikarbonat ergänzt. Eine dritte Versuchsreihe mit alleiniger Bettruhe dient als Kontrollphase.

Als Proband dieser Studie müssen sie alle 3 Versuchsreihen absolvieren. Folgende Details und Voraussetzungen zur Teilnahme sind zu beachten:

• gesunde Männer zwischen 19 und 35 Jahren, Nichtraucher, keine Leistungssportler
• Körpergewicht: 65 – 85 kg
• Körpergröße: 180 ± 10 cm
• Positiv absolvierte medizinische und psychologische Einschlussuntersuchung

Ort: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Linder Höhe, 51147 Köln, stationär
Zeitraum: 3x 33 Tage im Zeitraum von Februar 2008 bis Oktober 2009 (jeweils in den Semesterferien)

Aufwandsentschädigung: 10.000 Euro

Interessierte können sich beim DLR Köln unter 02203/ 601- 2670 (Frau G. Böhme) oder 02203 / 601 – 3110 (Frau E. Huth) melden.

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA.

Dass Astronauten sich nach der Rückkehr von langen Weltraummissionen nur mühsam auf den Beinen halten können, hat man zuletzt wieder bei dem deutschen ESA-Langzeitraumfahrer Thomas Reiter gesehen, der auf das triumphale Verlassen des Shuttles zusammen mit seinen weniger raumerfahrenen Kollegen verzichten musste. Aber nicht nur die Muskeln von Astronauten sind von der Schwerelosigkeit betroffen, sondern auch ihre Knochen, und das ist auf lange Sicht wahrscheinlich sogar das größere Problem.

Eine vierjährige Studie zu den langfristigen Auswirkungen der Schwerelosigkeit zeigte jetzt, dass sich bei Langzeit-Besatzungsmitgliedern der Internationalen Raumstation (ISS) die Hüftknochen um immerhin durchschnittlich 11 Prozent abbauten.

Die Untersuchung fand auch, dass sich ein Jahr nach der Rückkehr zur Erde zwar ein Großteil des verlorenen Knochenmaterials regeneriert hatte. Struktur und Dichte der Knochen hatten sich gegenüber dem Zustand unmittelbar nach der Landung deutlich verbessert, waren aber noch nicht wieder hundertprozentig auf dem alten Stand. Die Forscher meinen, dass es deutlich länger als ein Jahr dauern dürfte, bis die alte Stärke des Hüftknochens wieder erreicht ist.

Die Ergebnisse der Untersuchung sind wichtig im Hinblick auf einen Langzeitflug zum Mars und zurück. Schon nach dem wahrscheinlich jahrelangen Hinflug steigt die Gefahr eines Knochenbruchs – auf dem Mars, wo der Astronaut ihn am wenigsten brauchen kann. Und nach dem ebenso langen Rückflug zur Erde mit ihrer ungleich höheren Schwerkraft wächst das Risiko erst recht.

Auch bei Menschen, die die Erde nie verlassen, ist Knochenschwund keine Seltenheit. Ärzte behandeln Millionen von Frauen und Männern wegen Osteoporose – einer Krankheit, bei der Knochenschwund dazu führt, dass Knochen poröser werden und leichter brechen. Die Auswirkungen sind vergleichbar: Daten der NASA-Untersuchung zeigen, dass ISS-Crewmitglieder in einem Monat im Schnitt soviel Knochenmasse verloren wie eine ältere Frau in einem ganzen Jahr. Obwohl gesunde Astronauten während ihres vier- bis sechsmonatigen Aufenthalts keineswegs Osteoporose bekamen, war der Grad ihres Knochenschwunds doch hoch genug, um Befüchtungen wachsen zu lassen, dass sie schon unter relativ leichter Belastung, wie sie etwa beim Arbeiten, Heben, oder auch Hinfallen auftreten kann, Knochenbrüche erleiden könnten.

„Der Erfolg bemannter Forschungsmissionen hängt davon ab, Gegenmaßnahmen für diese Effekte zu finden“, sagte Julie Robinson, ISS-Programm-Wissenschaftlerin am Johnson-Weltraumzentrum der NASA in Houston. „Es gibt bedeutende Synergien zwischen der Osteoporoseforschung auf der Erde und den Knochenstudien an ISS-Astronauten. Die Forschungsgebiete ergänzen einander.“

Die Untersuchung war eine der ersten des Human-Research-Programms, das an Bord der Raumstation durchgeführt wurde. Dieses Programm überwacht diverse Gesundheitsexperimente an Astronauten, um deren Gesundheitsrisiken beim Einsatz im Weltraum zu verstehen und zu minimieren.

Beginnend mit der Expedition 2 von März bis August 2001 bis zur Expedition 8 von Oktober 2003 bis April 2004 nahmen 16 Besatzungsmitglieder an der Studie teil. Die Forschung konzentrierte sich auf ihre lasttragenden Knochen, darunter vor allem den Hüftknochen, da frühere Untersuchungen gezeigt hatten, dass dieser den höchsten Knochmassenverlust im Verlauf einer Raummission erleidet. Gleichzeitig ist er auch die am meisten von Osteoporose betroffene Stelle des menschlichen Skeletts bei älteren Menschen.

Die Knochen jedes Astronauten wurden dreimal vermessen: Vor und nach ihrer Mission sowie ein Jahr nach ihrer Rückkehr zur Erde. Der Forschungsleiter dieses Experiments, Dr. Thomas Lang von der Universität von Kalifornien, nutzte eine fortgeschrittene Röntgentomografie-Technik, um den Wiederaufbau verlorener Knochenmasse und Änderungen in Größe und Stärke der Knochen zu charakterisieren. Die Technik liefert eine Serie von Querschnitten durch den Hüftknochen, die dreidimensionale Messungen ohne Beeinflussung durch umliegendes Gewebe erlaubt. Lang nutzte die Röntgentechnologie, um die dichten äußeren (kortikalen) und die poröseren inneren (trabekularen) Schichten des Knochens separat zu vermessen und so den Knochenmasseverlust in Hüfte und Wirbelsäule zu bestimmen. Mit der dreidimensionalen Tomografie kann man herausfinden, ob der Verlust in einem Teil des Knochens ausgeprägter ist als in einem anderen.

„Es gibt Hinweise aus der Altersforschung, dass sich Knochen als Ausgleich für Knochenmasseverlust vergrößern. Wir vermuten, dass etwas Ähnliches geschehen würde, wenn Crewmitglieder nach Langzeitflügen in die Schwerkraft zurückkehren“, sagte Lang. „Unsere einjährigen Messungen wären konsistent mit einem solchen Zuwachs der Knochengröße; allerdings dürfte dieser Zuwachs nicht genug sein, um die volle Stärke des Hüftknochens wiederherzustellen. Wir werden mit den Knochendichtemessungen weiter machen, um zu ermitteln, wie viel länger es dauert, um sowohl die Knochen als auch ihre Stärke wiederherzustellen, und ob diese strukturellen Änderungen von Dauer sind.“

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: BBC News.

Professer Russell Foster und sein Forscherteam vom Imperial College in London studieren, wie Astronauten während Raumfahrtmissionen im Weltall zurechtkommen. In Verbindung mit dem US National Space Biomedical Research Institute (NSBRI) untersucht das Imperial College den Einfluss des bemannten Raumfluges auf das menschliche Schlafverhalten. Den NSBRI drückt es auf ihrer Homepage folgendermaßen aus: „Der Erfolg der bemannten Raumfahrt hängt hauptsächlich von der konstanten Wachsamkeit der Astronauten bei der Bedienung der extrem komplizierten Ausstattung ab. Der entscheidender Faktor dafür, ob eine Mission erfolgreich wird, ist genug Schlaf zu bekommen.“

Das erste Problem besteht darin, dass im Weltall die Astronauten einer extremen Schichtarbeit ausgeliefert sind. Bei Raumfahrtmissionen schlafen die Crewmitglieder daher sehr dürftig. Mit durchschnittlich nur zwei Stunden pro Nacht liegen sie damit weit unter der Schlafdauer, der sie normalerweise auf der Erde gewohnt sind. Vorhergehende Studien bei Nachtschichtarbeitern in verschiedenen Betrieben auf der Erde haben gezeigt, dass ein gestörtes Schlafmuster zu verschiedenen gesundheitlichen Problemen und zu einer verminderten Leistungsfähigkeit führt. Zum Beispiel liegt bei diesen Arbeitern das Risiko eines Autounfalls nach nur vier Tagen Arbeit in der Nachtschicht um 50 Prozent höher.

Ein weiteres Problem liegt in der Abweichung des menschlichen Rhythmus. Wissenschaftler haben durch mehrere Studien gezeigt, dass der biologische Zyklus durchschnittlich 24 Stunden und 11 Minuten besitzt. Diese geringfügige Abweichung von der tatsächlichen Zeit wird durch die Morgen- und Abenddämmerung täglich ausgebessert. Da es bei Raumfahrtmissionen im Weltall aber keine Sonnenaufgänge wie auf der Erde gibt, kann die menschliche Uhr der Astronauten auch nicht zurückgestellt werden. Während Raumfahrtmissionen könnte es daher schwierig werden, diesen gewohnten Rhythmus für die Astronauten zu regulieren. Eine Kombination beider Faktoren kann zu einer Überforderung in kniffligen Situationen führen, die dann fatal enden könnten.

Wissenschaftler gehen sogar soweit, dass sie behaupten, bemannte Weltraumerforschungen oder Reisen zum Mars wären aus diesem Grund momentan sogar unmöglich. Während aber bei technischen Schwierigkeiten eine Reihe von Dokumentationen und Untersuchungen stattfinden, wird das Problem der Schlafstörung der Astronauten nicht so ernst genommen, wie es tatsächlich ist. Professor Foster kommentiert das Problem des Schlafentzuges bei Astronauten so: „Technische Schwierigkeiten werden ausführlich dokumentiert. Es gibt jedoch nur wenig Untersuchungen bezüglich der medizinischen Gesundheitsprobleme, die bei den Astronauten auftreten könnten und ebenso wenige Verbesserungsvorschläge.“

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Ein Beitrag von Lorenz Zistler. Quelle: Space.com.

Russische Behörden gaben am Mittwoch bekannt, dass ein Kosmonaut, der von der NASA, wegen medizinischer Gründe, von einem Weltraumspaziergang abgehalten wurde gesund sei, obwohl sich die Amerikaner Sorgen wegen der „Eigenheiten“ seiner Herz- und Blutgefäße machten. Nikolai Budarin, 49, ein durch acht Weltraumspaziergänge, die er während zweier Arbeitsaufenthalte auf der ehemaligen russischen Weltraumstation Mir absolvierte, die insgesamt 44 Stunden dauerten, erfahrener Mann sollte U.S. Astronaut Kenneth Bowersox bei einem sechsstündigen Weltraumspaziergang außerhalb der Internationalen Weltraumstation am 15. Januar begleiten. „Er ist nicht krank,“ sagte Valery Bogomolov, stellvertretender Direktor des Instituts für medizinische und biologische Probleme, welches den medizinischen Teil des russischen Weltraumprogramms beträut. Sein Kommentar wurde vom russischen Fernsehen TVS gesendet. „Die Eigenheiten seines Blutgefäßsystems sind uns bekannt, er hatte sie bei früheren Flügen genauso,“ sagte Bogomolov. Aber er sagte, dass die Verantwortung für Weltraumspaziergänge in amerikanischen Weltraumanzügen bei der NASA liegt. Ein Sprecher des russischen Weltraumbüros, Sergei Gorbinov, sagte, dass Budarin daran scheiterte amerikanische Standards bei Tests auf einem Fahrrad der Station zu erreichen. „Aber auf jeden Fall, dies wird nicht als Gesundheitsproblem angesehen,“ berichtete er dem Fernsehsender NTV. Gorbunov sagte, dass russische Weltraumbeamte die Entscheidung der U.S.A nicht beanstanden würden. Jedoch sagte Igor Goncharov, ein medizinischer Beamter des Programms, dass Budarin für einen Weltraumspaziergang fit sei, wenn man sich auf die Nachrichtenorganisation ITAR-Tass bezieht. „Budarin hat keine weiteren gesundheitlichen Probleme, er arbeitet mit voller Kraft“ zitiert die ITAR-Tass Goncharov. Er sagte, dass Budarin ähnliche Testergebnisse während früherer Missionen hatte, bei denen er im Weltraum spazieren ging.

Der Ausflug war ursprünglich für das vorherige Monat geplant, aber U.S Flugärzte waren sich nicht einig über die Beteiligung Budarins wegen geheimer medizinischer Angelegenheiten und so wurde der Weltraumspaziergang auf nächste Woche verschoben. Die

NASA sagte am Dienstag, dass der Rekrut Donald Pettit Budarin ersetzen wird, welcher laut Plan bis März zusammen mit Pettit und Bowersox an Bord bleiben soll. Sie sind die sechste Mannschaft, die den kreisenden Komplex bewohnt. Der Weltraumspaziergang nächste Woche wird durchgeführt von der U.S. Luftschleuse aus und es werden amerikanische Weltraumanzüge verwendet, was der Grund dafür ist, dass Budarin die medizinischen Standards für Weltraumspaziergänge der NASA erfüllen musste. Budarin war das letzte Mal im Frühling 1998 im Weltraum, als er und ein anderer Kosmonaut drei Weltraumspaziergänge in nur einem Monat machten um ein Korrekturtriebwerk zu ersetzen.

Der Beitrag Russische Ärzte enthüllen medizinischen Zustand eines Kosmonauten erschien zuerst auf Raumfahrer.net.