Bioengineertes Herzgewebe auf der ISS: Johns Hopkins University und NASA untersuchen Mikrogravitation

Längere Aufenthalte im All bleiben für den menschlichen Körper nicht ohne Folgen.

Seit Jahren untersuchen die NASA und andere Raumfahrtagenturen auf der Internationalen Raumstation (ISS), wie sich Mikrogravitation auf Menschen, Tiere und Pflanzen auswirkt.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen: Wer lange Zeit im Weltraum lebt, riskiert unter anderem Muskelschwund, den Abbau der Knochendichte, Veränderungen des Sehvermögens, Verschiebungen in der Genaktivität sowie psychische Belastungen.

Dieses Wissen – und vor allem Strategien, um gegenzusteuern – ist entscheidend mit Blick auf kommende Ziele der Raumfahrt: langfristige Missionen zum Mond, zum Mars und darüber hinaus.

Hintergrund: Was bisher über den Körper in der Mikrogravitation bekannt ist

Eine neue Untersuchung deutet nun darauf hin, dass auch Herzgewebe „im All wirklich nicht gut zurechtkommt“.

Hinter dem Experiment steht ein Team unter Leitung von Forschenden der Johns Hopkins University, unterstützt durch das Johnson Space Center der NASA. Insgesamt wurden 48 Proben von menschlichem, bioengineertem Herzgewebe für 30 Tage zur ISS geschickt.

Wie die Autorinnen und Autoren in ihrer Arbeit darlegen, schwächt die Exposition gegenüber Mikrogravitation das Herzgewebe und beeinträchtigt seine Fähigkeit, gleichmässige, rhythmische Kontraktionen aufrechtzuerhalten. Daraus leiten sie ab, dass zusätzliche Massnahmen nötig sind, damit Menschen ihre kardiovaskuläre Gesundheit auch im All erhalten können.

Herzgewebe auf der ISS: Team, Veröffentlichung und Versuchsaufbau

Geleitet wurde die Studie von Deok-Ho Kim und Kolleginnen und Kollegen aus dem Department of Biomedical Engineering an der Johns Hopkins University (BME-JHU) sowie dem JHU Center for Microphysiological Systems.

Zum Forschungskonsortium gehörten ausserdem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Ann and HJ Smead Department of Aerospace Engineering Sciences der UC Boulder, dem Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine (ISCRM) und dem Center for Cardiovascular Biology an der University of Washington, dem Stanford Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine, BioServe Space Technologies sowie dem Johnson Space Center der NASA.

Die Ergebnisse wurden gestern (23. September) in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Frühere Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass Astronautinnen und Astronauten nach der Rückkehr von der ISS vielfältige gesundheitliche Effekte aufweisen, die zu bestimmten altersassoziierten Zuständen passen – darunter eine verminderte Funktion des Herzmuskels und unregelmässige Herzschläge (Arrhythmien). Ein Grossteil dieser Effekte klingt mit der Zeit wieder ab.

Was dabei jedoch bislang weitgehend offen blieb: Was genau passiert auf zellulärer und molekularer Ebene? Um diese Mechanismen besser zu verstehen und mögliche Gegenmassnahmen zu entwickeln, schickten Kim und sein Team eine automatisierte „Heart-on-a-chip“-Plattform zur ISS.

Für die Nutzlast nutzte das Team humane induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die sich in viele Zelltypen entwickeln können, und differenzierte daraus Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen). Aus diesen Zellen entstanden Gewebeproben, die in einen miniaturisierten, bioengineerten Gewebechip eingesetzt wurden. Dieser Chip ist so gestaltet, dass er die Umgebung eines erwachsenen menschlichen Herzens nachbildet.

Die Chips erfassten dabei, wie sich das Gewebe rhythmisch zusammenzieht – als Modell dafür, wie ein Herz schlägt. Ein Satz dieser Biochips startete im März 2020 mit der SpaceX-Mission CRS-20 zur ISS; ein weiterer Satz blieb auf der Erde und diente als Kontrollgruppe.

Auf der ISS betreute Astronautin Jessica Meir das Experiment. Sie tauschte einmal pro Woche die flüssigen Nährstoffe aus, die das Gewebe umgaben. Gleichzeitig konservierte sie in festgelegten Zeitabständen Proben, damit nach der Rückkehr zur Erde Gen-Auslesungen sowie Bildanalysen durchgeführt werden konnten.

Parallel dazu wurden Messdaten in Echtzeit zur Erde übertragen: alle 30 Minuten – jeweils für 10 Sekunden – Informationen zu den Kontraktionen der Gewebeproben und zu möglichen Unregelmässigkeiten im Schlagmuster (Arrhythmien).

„Eine unglaubliche Menge an Spitzentechnologie in den Bereichen Stammzell- und Gewebeengineering, Biosensorik und Bioelektronik sowie Mikro-Fabrikation war nötig, um die Lebensfähigkeit dieser Gewebe im All sicherzustellen“, sagte Kim in einer aktuellen Hub-Mitteilung.

Ergebnisse: Schwächeres Gewebe, Arrhythmien und Hinweise auf Stressprozesse

Nachdem die Gewebekammern wieder auf der Erde waren, hielten Kim und sein Team die Proben weiter am Leben und sammelten zusätzliche Daten, um zu prüfen, ob sich ihre Kontraktionsfähigkeit verändert. Neben einem Verlust an Kraft entwickelten die Muskelgewebe Arrhythmien – passend zu altersassoziierten Herzerkrankungen.

In einem gesunden menschlichen Herzen liegt die Zeit zwischen zwei Schlägen bei etwa einer Sekunde. Bei den Gewebeproben dauerte dieser Abstand nahezu fünfmal so lange – allerdings normalisierte sich das Muster nach der Rückkehr zur Erde weitgehend.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Proteinbündel in den Zellen, die die Kontraktion ermöglichen (Sarkomere), kürzer und ungeordneter waren als in der Kontrollgruppe – ebenfalls ein Zeichen, das mit Herzerkrankungen in Verbindung steht.

Hinzu kam, dass die Mitochondrien in den Gewebeproben grösser und runder wurden und die charakteristischen Faltungen verloren, die ihnen helfen, Energie zu erzeugen und zu nutzen.

Schliesslich zeigte die Gen-Auslesung im Gewebe eine erhöhte Genproduktion, die mit Entzündungsprozessen sowie mit einem Ungleichgewicht von freien Radikalen und Antioxidantien (oxidativer Stress) zusammenhängt.

Diese Muster passen nicht nur zu altersbedingten Herzerkrankungen, sondern werden auch bei Nachuntersuchungen von Astronautinnen und Astronauten nach Raumflügen regelmässig beobachtet. Nach Einschätzung des Teams erweitern die Resultate das wissenschaftliche Verständnis darüber, welche Auswirkungen Mikrogravitation potenziell auf die menschliche Gesundheit im All hat. Gleichzeitig könnten sie die Forschung zum Altern des Herzmuskels und zu Therapien auf der Erde voranbringen.

Nächste Schritte: Medikamente, Gewebechip-Optimierung und Weltraumstrahlung

Im Jahr 2023 knüpfte Kims Labor an das Experiment an und schickte eine zweite Charge von Gewebeproben zur ISS. Ziel war es, Medikamente zu testen, die den Herzmuskel vor den Effekten der Mikrogravitation schützen könnten – und die Menschen helfen sollen, die Herzfunktion im Alter zu erhalten.

Parallel arbeitet das Team weiter daran, sein Tissue-on-a-chip-System zu verbessern. Ausserdem kooperiert es mit dem Space Radiation Laboratory der NASA, um die Auswirkungen von Weltraumstrahlung auf Herzmuskeln zu untersuchen.

Diese Tests sollen bewerten, welche Gefahr Sonnen- und kosmische Strahlung für die kardiovaskuläre Gesundheit jenseits des niedrigen Erdorbits (Low Earth Orbit, LEO) darstellen – dort, wo das Magnetfeld der Erde vor dem Grossteil der Weltraumstrahlung schützt.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.