(Bildnachweis: NASA/ESA-T. Pesquet)
Welche Auswirkungen hat die Raumfahrt auf das Herz eines Astronauten? Genau diese Frage veranlasste Wissenschaftler der Johns Hopkins University, 48 Proben von biotechnisch hergestelltem Herzgewebe auf die Internationale Raumstation zu schicken, wo sie 30 Tage lang beobachtet und mit identischen Proben auf der Erde verglichen wurden.
Das Team untersuchte, wie sich die geringe Schwerkraft auf Dinge wie die Kontraktionskraft der Zellen, die so genannte Zuckungskraft, und unregelmäßige Schlagmuster auswirkt.
Die Ergebnisse waren besorgniserregend – die Wissenschaftler stellten fest, dass die Herzzellen „im Weltraum wirklich nicht gut abschneiden“ und nur halb so stark schlagen wie die Kontrollproben auf der Erde – aber nicht überraschend.
Vorangegangene Studien haben ergeben, dass Astronauten nach ihrer Rückkehr zur Erde eine verminderte Herzmuskelfunktion und unregelmäßige Herzschläge, so genannte Arrhythmien, aufweisen. Während einige dieser Auswirkungen der Raumfahrt im Laufe der Zeit abklingen, ist dies nicht bei allen der Fall – und das wird erhebliche Auswirkungen auf langfristige Raumfahrtmissionen haben, einschließlich möglicher Ausflüge zum Mond und vielleicht sogar eines Tages zum Mars.
Deok-Ho Kim, Professor für biomedizinische Technik und Medizin an der Johns Hopkins University School of Medicine, leitete das Projekt, Herzgewebe zur Raumstation zu schicken. Er und sein damaliger Doktorand Jonothan Tsui schufen das biotechnisch hergestellte Herzgewebe aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs).
Die Zellen wurden in „Organ-on-a-Chip“-Geräten gezüchtet, bei denen es sich um Miniaturmodelle verschiedener Organe handelt, in denen künstliche oder natürliche Gewebe und Zellen in mikrofluidischen Chips gezüchtet werden. In diesem Fall wurde der 3D-Chip so konzipiert, dass er ein erwachsenes menschliches Herz in einer Kammer nachbildet, die nur halb so groß ist wie ein Standard-Handy.
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„Eine unglaubliche Menge an Spitzentechnologie in den Bereichen Stammzellen- und Gewebezüchtung, Biosensoren und Bioelektronik sowie Mikrofabrikation wurde eingesetzt, um die Lebensfähigkeit dieser Gewebe im Weltraum zu gewährleisten“, so Kim in einer Erklärung.
Das Team stellte fest, dass das weltraumgebundene Gewebe erhöhte Entzündungswerte und oxidative Schäden aufwies; auch die Sarkomere genannten Proteine, die die Kontraktion der Herzzellen unterstützen, waren kürzer und ungeordneter geworden. Diese Veränderungen sind mit denen vergleichbar, die bei Menschen mit Herzkrankheiten beobachtet werden.
Außerdem waren die Mitochondrien der Zellen, ihre Energiekraftwerke, größer und runder geworden und hatten ihre charakteristische Form verloren. Dies deutet darauf hin, dass die Herzzellen im Weltraum erheblichem Stress oder einer Funktionsstörung ausgesetzt waren, was wahrscheinlich zu einer Beeinträchtigung der Energieproduktion führte, die zu den geschwächten Kontraktionen der Herzzellen und der im Experiment beobachteten allgemeinen Verschlechterung der zellulären Gesundheit beitragen könnte. Eine solche Schädigung könnte auch die Fähigkeit der Zellen beeinträchtigen, als Ganzes richtig zu funktionieren.
„Viele dieser Marker für oxidative Schäden und Entzündungen werden immer wieder bei Untersuchungen von Astronauten nach dem Flug festgestellt“, sagte Eun Hyun Ahn, Assistenzprofessor für biomedizinische Technik, in der Erklärung von Mair.
Die Forscher beabsichtigen, ihr „Herz auf einem Chip“ weiter zu verfeinern, um mehr Daten zu sammeln, die es ihnen ermöglichen, genau zu bestimmen, wie diese Schäden auf molekularer Ebene auftreten, und so Wege zu finden, um Astronauten während langer Raumfahrtmissionen, die bald Realität werden könnten, zu schützen.
