In einer Dragon-Kapsel an Bord einer Falcon-9-Trägerrakete des US-amerikanischen Raumfahrtunternehmens SpaceX ist am 08. April 2016 um 22:43 Uhr Mitteleuropäischer Sommerzeit ein deutsches Experiment zur Internationalen Raumstation ISS gestartet: SPHEROIDS.
Mit dem Experiment, das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert wird und mit einem „Ticket“ der Europäischen Weltraumorganisation ESA zur ISS fliegt, wollen Wissenschaftler der Universität Magdeburg die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf menschliche Blutgefäßzellen (Endothelzellen) untersuchen. Diese Zellen bilden die innerste Schicht der menschlichen Blutgefäße. Sie kleiden jedes unserer Blutgefäße aus, steuern ganz wesentlich die Funktionsfähigkeit unserer Gefäßwände und spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Blutdrucks, beim Wachstum von Muskelzellen sowie bei Gerinnungs- und Entzündungsprozessen.
Blutgefäße aus dem Reagenzglas
„Bei SPHEROIDS geht es in erster Linie darum, herauszufinden, wie Endothelzellen ohne Schwerkraft wachsen und sich zu komplexeren Strukturen und Geweben, so genannten dreidimensionalen Sphäroiden, entwickeln. Dahinter stehen grundsätzliche medizinische Fragen, etwa nach der genetischen Programmierung dieser Zellen und den Schlüsselmolekülen solcher Entwicklungsprozesse im menschlichen Körper“, erklärt Dr. Markus Braun, SPHEROIDS-Projektleiter im DLR Raumfahrtmanagement in Bonn.
Denn Langzeitaufenthalte im Weltraum sind eine Herausforderung für die Skelettmuskulatur, das Immunsystem und das Herz-Kreislaufsystem von Astronauten. Die gesundheitlichen Probleme, die nach längeren Phasen in der Schwerelosigkeit auftreten können, entstehen unter anderem durch Veränderungen der Endothelzellen.
„Wenn es uns gelingt, die Mechanismen und die Funktion der Endothelzellen unter Mikrogravitation zu verstehen sowie die Wachstumsprozesse dieser Zellen zu bestimmen, wäre das ein großer Erfolg“, verdeutlicht Daniela Grimm, Professorin für Gravitationsbiologie und Translationale Regenerative Medizin der Universität Magdeburg, und ergänzt: „Mithilfe dieser Erkenntnisse könnten Mediziner völlig neue Behandlungsmöglichkeiten für Kreislauferkrankungen entwickeln.“
Die Forscher hoffen, mit den Resultaten aus dem SPHEROIDS-Experiment kleinste Blutgefäße im Reagenzglas züchten zu können. Diese winzigen Adern könnten für Transplantationen eingesetzt werden. „Auch Tests mit pharmazeutischen Substanzen wären damit möglich, wodurch die Zahl der Tierversuche gesenkt werden könnte“, sagt Daniela Grimm.
Schnell bilden sich erste 3D-Strukturen
Während des zweitägigen Fluges der Dragon-Kapsel zur ISS befinden sich die Endothelzellen in acht Experimentkammern. Auf der Raumstation angekommen, werden die Kammern von den Astronauten in einen Inkubator im europäischen Columbus-Forschungslabor eingesetzt. Rund eine Woche lang wachsen und vermehren sich die Zellen nun in Schwerelosigkeit. Ein Teil der Zellen wird am siebten Tag automatisch chemisch fixiert. Ein anderer Teil wird mit einer Nährlösung versorgt und darf für weitere sieben Tage auf der ISS wachsen, bevor auch diese Zellen fixiert werden. Diese Prozedur stellt sicher, dass sich die Präparate bis zum Zeitpunkt der Untersuchung im Labor der Universität Magdeburg nicht mehr verändern können.
Bei ähnlichen Versuchen konnten bereits innerhalb sehr kurzer Zeit erste 3D-Strukturen beobachtet werden. Schon nach wenigen Tagen hatten sich die ersten winzigen Sphäroide – kugelförmige Zellhaufen – mit einem Umfang von etwa 0,3 Millimetern gebildet. Nach fünf Tagen hatte ein Großteil der Proben Sphäroide geformt – einige der Präparate wuchsen sogar zu aderähnlichen Strukturen heran.
Nach rund 30 Tagen im All treten die Endothelzellen gekühlt ihre Rückreise in der Dragon-Kapsel an und werden ins Heimatlabor nach Magdeburg zurückgebracht, wo die molekulare und biochemische Untersuchung beginnt. Nach dem Start (Foto: Nasa) gelang SpaceX übrigens erneut eine Rücklandung der ersten und größten Raketenstufe von der Falcon auf einer Plattform im Meer. Das Raumfahrtunternehmen möchte damit Raketenteile wiederverwendbar und die Raumfahrt an sich billiger machen.
Abb. 2 zeigt, wie menschliche Endothelzellen in acht Experimentkammern der Schwerelosigkeit ausgesetzt werden sollen. Auf dem Bild ist die Spheroids-Hardware mit den Probenkammern zu erkennen (Quelle: Universität Magdeburg).
In Abb. 3 wurden die Kerne der Zellen blau und das Aktin-Cytoskelett mit Antikörpern rot gefärbt (Quelle: Universität Magdeburg).
