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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Quelle: OHB SE.

Bremen, 28. Oktober 2021. Am kommenden Sonntagmorgen um 7:21 Uhr (MEZ) wird Matthias Maurer als erster deutscher Astronaut der europäischen Weltraumorganisation ESA in einer Crew Dragon Kapsel mit einer SpaceX Falcon 9 Trägerrakete zur rund 400 Kilometer entfernten Weltraumstation ISS starten. Während seiner knapp sechs Monate langen Mission „Cosmic Kiss“ wird er zwei Experimente durchführen, die von der OHB System AG, ein Tochterunternehmen des Raumfahrtkonzerns OHB SE, für den Weltraumflug qualifiziert wurden: Für das Projekt „EasyMotion“ wird Matthias Maurer mit einem EMS-Anzug (Elektro Muskel Stimulation) trainieren, um möglichst noch effektiver als bisher Muskelschwund entgegenzuwirken. Im Experiment „Bioprint FirstAid“ soll ein innovativer „Handheld-Biodrucker“ oberflächliche Wunden mit einer Biotinte versorgen, die körpereigene Zellen enthält. Der erste Einsatz der Experimente ist für Ende November geplant.

Elektrostimulation für besseres Muskeltraining im Weltraum
Bevor ein Gerät in den Weltraum fliegen darf, muss es auf Herz und Nieren durchgecheckt und für die Nutzung auf der ISS angepasst werden. Auch der EMS-Anzug, mit dem Matthias Maurer in verschiedenen Trainingseinheiten mehrmals je 20 Minuten trainieren wird, hatte sich vorab den prüfenden Augen des OHB-Teams der Astronautischen Raumfahrt zu stellen. „Zunächst wurde das Anzugsystem umgebaut. Das betraf die Steuerungseinheit, die so genannte Powerbox, die Position von einigen Steckern und Funktionen sowie die Integration einer weltraumtauglichen Batterie. Bei der anschließenden Qualifizierung musste sich der Sportanzug dann Umwelt- und Funktionstests stellen“, sagt Dr. Marco Berg, Abteilungsleiter Astronautische Raumfahrt bei OHB. Das EMS-assistierte Training wird Matthias Maurer insgesamt zwölf Wochen lang an drei Tagen pro Woche absolvieren – insgesamt 36 Einheiten. „Muskelschwund in der Schwerelosigkeit ist ein bekanntes Thema in der astronautischen Raumfahrt. Ein Astronaut muss etwa zweieinhalb Stunden pro Tag trainieren, um dem vorzubeugen. Mit diesem Experiment gilt es nun herauszufinden, ob diese Trainingszeit durch die Hilfe von EMS verkürzt werden kann“, so Dr. Marco Berg. Das Trainingssystem EasyMotionSkin und die dazugehörige App wurden von der EMS GmbH aus Leipzig entwickelt, die in diesem Projekt als Unterauftragnehmer von OHB tätig ist. Für die wissenschaftliche Leitung von „EasyMotion“ ist das Zentrum für Weltraummedizin an der Charité – Universitätsmedizin Berlin zuständig.

Der Erfolg des Trainings wird durch ein bei OHB gut bekanntes Gerät überprüft: MyotonPRO. MyotonPRO ein kleines handliches digitales Gerät zur Messung von Muskeltonus (Muskelruhespannung) sowie Muskelsteifigkeit, hatte OHB bereits für die „horizons“-Mission des deutschen ESA-Astronauten Alexander Gerst im Jahr 2018 qualifiziert. MyotonPRO wird neben „EasyMotion“ auch für „Myotones“ auf der ISS für Matthias Maurer genutzt. Die Projekte „EMS“ und „Bioprint FirstAid“ sowie „Myotones“ werden im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn durchgeführt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziert.

Bioprinter FirstAid: Das moderne Pflaster für die Wundversorgung im All
Je weiter weg sich Astronauten von der Erde befinden, desto höher ist das Risiko, dass sie im Falle einer Verletzung nicht rechtzeitig behandelt werden können. Gerade wenn die Menschheit an astronautische Missionen zum Mars denkt, ist eine schnelle Rückkehr zur Erde im Ernstfall nicht möglich. Daher ist es wichtig, dass eine medizinische Infrastruktur vorhanden ist. Ein Gerät zur Behandlung von oberflächlichen und großflächigen Hautverletzungen könnte der „Handheld Bioprinter“ sein. Das medizinische Gadget versorgt Wunden mit einem körperidentischen „Hautpflaster“ und soll so zu einer besseren und schnelleren Heilung der Verletzung beitragen. Für das „Bioprint FirstAid“ Experiment auf der ISS soll allerdings erstmal kein Test am menschlichen Körper, sondern vielmehr ein Test unter Weltraumbedingungen mit simulierten menschlichen Hautzellen erfolgen. Die Proben werden dann zur Erde gebracht und von einer Arbeitsgruppe der TU Dresden – dem wissenschaftlichen Partner für das Experiment – ausgewertet.
Doch das ist alles noch Zukunftsmusik. Zunächst fiebert das Team der Astronautischen Raumfahrt auf den Start hin. Dr. Marco Berg: „Es macht uns glücklich und stolz, dass wir bei der Cosmic Kiss Mission mit Matthias Maurer gleich an zwei derart spannenden Experimenten beteiligt sind und hoffen auf eine erfolgreiche Durchführung der beiden Experimente.“

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