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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Quelle: Airbus Defence and Space.

Kennedy Space Center, Florida / 26. August 2021 – Der UZH Space Hub der Universität Zürich und Airbus bringen mit dem nächsten Versorgungsflug zur Internationalen Raumstation ISS ein Experiments ins All, mit dem die industrielle Produktion menschlichen Gewebes in Schwerelosigkeit weiter vorangetrieben werden soll. Mit diesem Schritt könnte der Weltraum zur Werkstätte werden, um menschliche Mini-Gewebe für den irdischen Einsatz in Forschung und Medizin herzustellen. Erste vorbereitende Tests auf der ISS vor 18 Monaten waren erfolgreich verlaufen.

Das Verfahren für das gemeinsame „3D-Organoids-in-Space“-Projekt stammt von den Zürcher Forschern Oliver Ullrich und Cora Thiel. Zusammen mit Airbus haben die beiden Pioniere in der Erforschung, wie Schwerkraft menschliche Zellen beeinflusst, das Verfahren zur Projektreife entwickelt. Das Airbus Innovations-Team um Projektleiter Julian Raatschen entwickelt die Hardware und sorgt für den Zugang zur Internationalen Raumstation (ISS). Von der Idee bis zur ersten Produktionstestung im All brauchten die Projektpartner nur drei Jahre, in denen sie verschiedene Testphasen und hochkompetitive interne Auswahlverfahren überstanden. „Wir zeigen als erste, dass der Weg zur Produktion im All machbar ist, nicht in der Theorie, sondern in der Praxis“, sagt Ullrich.

Medikamentenentwicklung verbessern und Tierversuche reduzieren

Oliver Ullrich, Professor für Anatomie an der UZH, die Biologin Cora Thiel und Airbus nutzen die Mikrogravitation im Weltall, um aus menschlichen adulten Stammzellen dreidimensionale organähnliche Gewebe – sogenannte Organoide – zu züchten. „Auf der Erde lassen sich wegen der Schwerkraft ohne Stützskelette keine dreidimensionalen Organoide produzieren“, erläutert Thiel. Auf großes Interesse stoßen solche 3D-Organoide bei Pharmaunternehmen. Toxikologische Studien könnten so ohne Umweg über Tiermodelle direkt an menschlichen Geweben durchgeführt werden. Aus Patientenstammzellen gezüchtete Organoide könnten zudem in Zukunft als Bausteine für Gewebe-Ersatz zur Therapie geschädigter Organe eingesetzt werden, denn die Zahl der gespendeten Organe kann den weltweiten Bedarf an Tausenden von Spenderorganen bei Weitem nicht decken.

Differenzierte 3D-Organoide im All gezüchtet

Die Forschungsarbeiten vom März 2020, als 250 Teströhrchen mit menschlichen Stammzellen einen Monat lang auf der ISS verbrachten, waren sehr erfolgreich. Aus den Gewebestammzellen hatten sich in der Mikrogravitation in 400 Kilometern Höhe wie beabsichtigt differenzierte organähnliche Leber-, Knochen- und Knorpel-Strukturen entwickelt. Die auf der Erde angelegten Kulturen, die als Kontrollen unter normalen Schwerkraftbedingungen gezüchtet wurden, zeigten dagegen keine oder nur minimale Zelldifferenzierungen.

Robustheit und Lebensfähigkeit

In der aktuellen Mission werden Gewebestammzellen von zwei Frauen und zwei Männern unterschiedlichen Alters ins All geschickt. Damit prüfen die Forschenden, wie robust die Methode ist, wenn sie Zellen unterschiedlicher biologischer Variabilität einsetzen, Sie erwarten, dass die Produktion in Schwerelosigkeit einfacher und zuverlässiger ist, als unter Verwendung von „Hilfsmaterialien“ auf der Erde. „Aktuell liegt der Fokus auf produktionstechnischen Fragen und der Qualitätskontrolle. Im Hinblick auf die anvisierte Kommerzialisierung, müssen wir jetzt herausfinden, wie lange und in welcher Qualität wir die im All gezüchteten Organoide nach der Rückkehr zur Erde in Kultur halten können“, so Ullrich.

„Im Erfolgsfall kann die Technologie weiterentwickelt und zur Einsatzreife gebracht werden. Airbus und der UZH Space Hub können so einen weiteren Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität auf der Erde durch raumfahrtbasierte Lösungen liefern“, sagt Airbus- Projektleiter Raatschen.

Das Probenmaterial wird Anfang Oktober zurück zur Erde kommen. Erste Ergebnisse sind ab November zu erwarten.

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