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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Quelle: ESA.

Die Magnetosphäre der Erde schützt uns vor den schädlichsten kosmischen Strahlen, die unseren Planeten treffen, aber jenseits dieses natürlichen Schildes sind die Astronauten einer Strahlung ausgesetzt, die hundertmal stärker ist als auf Höhe des Meeresspiegels.

Die Risiken dieser Strahlung stehen im Mittelpunkt der ESA-Forschungsaktivitäten. Letztes Jahr fand die erste Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung statt, um Studierende auszubilden und die Entwicklung neuartiger Konzepte zur Erforschung der Auswirkungen kosmischer Strahlung auf den Menschen anzuregen.

Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhielten in der Sommerschule eine Einführung in die Gebiete Strahlung und Biologie und entwickeln biologische Experimente, die in Teilchenbeschleunigern bei verschiedenen ESA-Partnern in ganz Europa durchgeführt werden können. Die besten Vorschläge wurden ausgewählt, um ihre Experimente dann tatsächlich im Beschleuniger dem Beschuss von Atomteilchen aussetzen.

Stammzellen bestrahlen

Im Jahr 2019 ging der erste Preis der Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung an den in Deutschland lebenden Wissenschaftler Emiliano Bolesani von der Medizinischen Hochschule Hannover.

Er möchte herausfinden, wie Herzzellen pathophysiologisch reagieren, wenn sie kosmischer Strahlung ausgesetzt sind. Dafür schlug Bolesani vor, Stammzellen für die Kultivierung von Herzgewebe-Strukturen zu nutzen. Diese sollen auf der Empfängerseite des Teilchenbeschleunigers im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt platziert werden. Die Innovation dieses Ansatzes besteht in der Verwendung von Herz-Mikrogeweben, um die Zellzusammensetzung des menschlichen Herzens nachzuahmen.

Bolesani erforscht, welche Zellarten – Kardiomyozyten, Endothelzellen, glatte Muskulatur oder Fibroblasten – am anfälligsten für durch Strahlung hervorgerufene Schädigungen sind und will herausfinden, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Die dabei generierten Daten tragen zum Aufbau eines analytischen Modells bei, mit dem vorhergesagt werden kann, wie Zellen miteinander interagieren, wenn sie Strahlung ausgesetzt sind.

„Ich hoffe, dieses Modell zukünftig auch für das Screening von Molekülen, die Zellen vor durch Strahlung hervorgerufene Schäden schützen können, zu nutzen“, sagt Bolesani.

„Es ist großartig, dass wir diese exklusive Einrichtung für unsere Forschung verwenden dürfen“, so Bolesani weiter. „Noch mehr freuen wir uns allerdings darüber, dass diese Forschung direkte Auswirkungen auf die Begrenzung unerwünschter Nebenwirkungen auf das Herz-Kreislauf-System nach einer Strahlentherapie haben könnte. Das Vorgehen ließe sich zukünftig auch auf andere Organe ausweiten und so wichtige Erkenntnisse für den Gesundheitsschutz von Astronauten bei der Erkundung des tiefen Weltraums liefern.“

Astronautenzellen sind als nächstes im Visier

Das Wissenschaftlerteam plant zudem, Astronauten vor und nach einem Raumflug Stammzellen zu entnehmen. Gewebe und Organe könnten dann in vitro gezüchtet und im Strahl eines Teilchenbeschleunigers platziert werden, um zu sehen, wie sie auf diese simulierte kosmische Strahlung reagieren.

So kann diese Studie Aufschluss darüber geben, welche zellulären und molekularen Mechanismen der individuellen Reaktion auf kosmische Strahlung zugrunde liegen.

„Jeder Mensch ist unterschiedlich anfällig für Strahlung“, erklärt Bolesani. „Dies stellt für die Strahlentherapie ein Problem dar, da die Effizienz der Behandlungen auf der Erde davon beeinflusst wird, und ebenso hat es Auswirkungen auf die Astronauten, die der Weltraumstrahlung ausgesetzt sind.

Eine weitere Fragestellung für diese potentielle Folgestudie ist, ob sich die Zellen während eines Raumflugs anpassen und diese Konfiguration beibehalten, sobald die Astronauten wieder auf der Erde sind – gibt es epigenetische und physiologische Veränderungen von längerer Dauer? Mit anderen Worten: Hinterlässt ein Raumflug einen dauerhaften Fußabdruck in der menschlichen DNA?“

Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung

Interessieren Sie sich für die Erforschung der kosmischen Strahlung? Dann bewerben Sie sich für die nächste „ESA-FAIR Sommerschule zur kosmischen Strahlung“, die vom 13. bis 29. September 2020 in Darmstadt stattfindet. Die Veranstaltung umfasst Vorträge und Besuche des Kontrollzentrums (ESOC) der ESA sowie des GSI-Teilchenbeschleunigers.

Am Ende des Kurses reichen die Studenten Forschungsvorhaben ein, um sich für mögliche Experimente zu bewerben. Die besten Vorschläge könnten in das ESA-Strahlenforschungsprogramm aufgenommen werden. Bewerbungen für die Sommerschule sind bis zum 15. April 2020 möglich.

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: SpaceflightNow.

In der Zeit, in der Sie diesen Satz lesen, sterben mehr als zehn Millionen rote Blutzellen in Ihrem Körper. Aber kein Grund zur Sorge! Dieser Vorgang ist natürlich und Stammzellen in unserem Knochenmark stellen kontinuierlich genug neue Zellen her, welche die abgestorbenen ersetzen. Aber was geschieht, wenn diese Stammzellen aufhören zu arbeiten? Ohne frischen Vorrat von roten und weißen Blutkörpern verfällt der menschliche Organismus sofort in eine Blutarmut. Das hat zur Folge, dass das Immunsystem kollabiert,was ohne ärztliche Unterstützung zum Tod führt.

Für Astronauten, die lange Reisen außerhalb des Erdorbits unternehmen, ist dieser Effekt ein ernster Aspekt. Bis jetzt war es zwar bekannt, dass fernab der schützenden Erdatmosphäre eine hohe Dosis an radioaktiver Strahlung existiert und diese Zellen im Körper der Astronauten zerstören können. Aber bis jetzt wurde die spezielle Gefahr der Zerstörung der wichtigen Stammzellen, die neue Zellen herstellen, unterschätzt. Die Apollo-Astronauten waren während ihrer Reise zum Mond bereits diesen kosmischen Strahlen ausgesetzt. Sie litten aber nicht so sehr darunter, da diese Reise mit nur wenigen Tagen Dauer relativ kurz war. Auf der anderen Seite wird bei Astronauten, die zum Mars reisen und viele Monate diesen Strahlungen ausgesetzt sind, diese Stammzellenzerstörung eine wichtige Rolle spielen. Die Aufgabe von Alan Gerwitz, einem Mediziner der Universität von Pennsylvania, ist es, diese Gefahr zu untersuchen und geeignete Gegenmaßnahmen zu finden, um Langzeitreisen für Astronauten sicherer zu machen. Aus diesem Grund bombardiert er Stammzellen mit einer radioaktiven Strahlung und beobachtet die Reaktion. Als erstes wird untersucht.ob die DNA-Strings, die „Speicherchips“ für die Erstellung neuer Zellen, angegriffen wurden. Bei einem Angriff der DNA-Strings untersucht Gewitz mit seinem Forscherteam auch den Grad und die Art der Zerstörung.

Alan Gerwitz und sein Forscherteam planen auch, ein Gegenmedikament zu entwickeln, das den Astronauten helfen soll, besser mit den Strahlungen auszukommen. Eine Idee ist es, den Zellen Antioxidanten zu geben. Der Großteil der Zerstörung der DNA wird nicht direkt durch die Strahlung selbst verursacht, sonder mehr durch die chemische Reaktion „freier Radikale“, die beim Zusammenstoß mit anderen Molekülen stattfindet. Durch diese Antioxidanten in Tablettenform kann vielleicht der Schaden verlangsamt oder sogar aufgehalten werden. Zur Zeit führt Alan Gerwitz mit seinem Forscherteam eine Reihe von Messungen durch, welche die Auswirkungen der Antioxidanten untersuchen sollen. Falls sie erfolgreich sein sollten, müssen sich die Astronauten in Zukunft auf dem Weg zum Mars keine Sorgen machen, dass ihre Blutzellen aussterben.

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