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24 Februar 2021 / Lesezeit: 4 minuten

Forschung im All

Völlig losgelöst

Die Untersuchung von Mikroorganismen geht auf der ISS besser als auf der Erde dank Schwerelosigkeit.

Bild: NASA

Bild: NASA

Die Schwerelosigkeit des Weltraums ist eine Zumutung für den menschlichen Körper. Doch sie bietet der Medizin ungeahnte Möglichkeiten für die Forschung im All und auf der Erde.

Wenn ein Mensch in den Weltraum fliegt, gehen in seinem Körper einige Veränderungen vor sich. Die Schwerelosigkeit beschleunigt den Alterungsprozess und schwächt den Organismus. So werden Knochen und Muskeln abgebaut, besonders in den Beinen. Dienen sie auf der Erde unserer Fortbewegung und geben uns Halt, entfallen diese Funktionen im All. Selbst mit einem täglichen Training von zwei Stunden kehren Astronaut*innen von ihrem Einsatz auf der Internationalen Raumstation ISS mit geschwächten Muskeln zurück. Auf der Erde müssen sie durch gezieltes Training ihre ursprüngliche Leistungskraft neu erarbeiten.

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Zwar sind Knochen- und Muskelschwund bekannte Symptome des Alters, prinzipiell können sie jedoch jeden Menschen treffen, der sich zu wenig bewegt. Besonders bedrohlich ist dies für Patient*innen, die aufgrund von Krankheit im Bett liegen müssen. Ihr Zustand ähnelt dem von Astronaut*innen sehr: Auch sie haben keinen Nutzen für ihre Beine, sodass sich der Abbau von Knochen und Muskeln beschleunigt.

Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln forscht man an Ursache und Behandlung von Muskel- und Knochenschwund und nutzt dabei die Beobachtungen aus dem Weltraum. „Mit unseren Erkenntnissen möchten wir Gegenmaßnahmen sowohl für die Astronaut*innen im Weltall als auch für alle betroffenen Patient*innen auf der Erde finden“, sagt Prof. Dr. Jens Jordan, Leiter des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin am DLR. Er verweist auf Bettruhestudien, bei denen ausgewählte Proband*innen für mehrere Wochen in einem um sechs Grad zum Kopf hin geneigten Bett liegen und dieses nicht verlassen dürfen. „Durch Bettruhe und Neigung simulieren wir den Zustand von Astronaut*innen im Weltraum und können so von der Erde aus den Einfluss der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper untersuchen“, erklärt Jordans Kollege Prof. Dr. Jörn Rittweger, der die Abteilung für Muskel- und Knochenstoffwechsel am DLR leitet. Während des Untersuchungszeitraums testen er und sein Team neue Technologien, die bei der Bekämpfung der Symptome helfen können, und untersuchen die Körperfunktionen der Proband*innen.

Bei der Erforschung von Muskel- und Knochenschwund helfen Beobachtungen aus dem Weltraum: Durch die horizontale Lage und Neigung zum Kopf hin wird der Zustand von Astronaut*innen im All simuliert. So kann der Einfluss der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper von der Erde aus untersucht werden.
Bild: DLR

Schwerelosigkeit verändert die Stoffwechselprozesse, sodass unsere Muskeln Sauerstoff schlechter abbauen. Die Ursache dafür ist bisher ungeklärt. Dennoch konnte man in den letzten Jahren zahlreiche Erkenntnisse aus solchen Studien ziehen, die nicht nur den Astronaut*innen im All, sondern auch den Menschen auf der Erde dienen. „Wir können nun besser einschätzen, welches Training bei welcher Krankheit hilft. Die Rehabilitierung von Patient*innen findet viel gezielter statt“, so Rittweger. Beispielsweise benötigen Patient*innen mit Diabetes Typ 2 ein anderes Training zur Genesung als solche mit einer Herzinsuffizienz. Die wichtigste Erkenntnis ist für ihn, dass Erkrankte ihre Muskelkraft in der Bettruhe zwar erhalten können, eine Verbesserung jedoch nur in der aufrechten Position möglich ist.

Auf dieser Grundlage entwickelte das Zentrum für Prävention und Rehabilitation des Uniklinikums Köln ein Behandlungskonzept, dass Kindern mit Nerven-, Muskel- und Skeletterkrankungen das Laufen beibringt. Unter dem Motto „Auf die Beine!“ erlernen die jungen Patient*innen Bewegungsabläufe und trainieren ihre Muskeln und Knochen, indem sie so früh wie möglich eine senkrechte Haltung annehmen. „Die Körper von Kindern sind noch aufbaufähig, weil sie besser auf Trainingsreize reagieren als erwachsene Körper. Dadurch können sie gut behandelt werden“, erklärt Rittweger.

Dreidimensionale Entfaltung im All

Neben der Forschung auf der Erde hat die Medizin auch ihren Weg direkt ins All gefunden. Denn in der Schwerelosigkeit können Experimente durchgeführt werden, die unter Erdanziehung schlechter umsetzbar sind. Zellen, Proteine und Gewebestrukturen werden durch die Gravitation auf der Erde in Petrischalen zu zweidimensionalen Formen zusammengedrückt. Im Weltraum hingegen können sie sich dreidimensional entfalten, sodass ihre Struktur viel detaillierter sichtbar wird.

Forscher*innen können so den Aufbau von gesundheitsschädigenden Mikroorganismen wie Krebszellen deutlicher erkennen und auf Grundlage des neu gewonnenen Wissens Medikamente zur Behandlung verbessern. Einen großen Erfolg konnte hier vor einigen Jahren der US-Pharmakonzern Merck verzeichnen: Durch Experimente auf der ISS entdeckte das Unternehmen eine bessere Proteinstruktur für die Bekämpfung von Tumorzellen. In der Folge verbesserte man das Medikament Pembrolizumab, ein Antikörper, der das eigene Immunsystem gegen Tumorzellen reaktiviert, und gegen mehrere Krebsarten wie Haut- oder Lungenkrebs eingesetzt wird.

Zudem wachsen Mikroorganismen in Schwerelosigkeit schneller, was die Forschungsarbeit beschleunigt. Experimente, die auf der Erde mehrere Jahre dauern, können in zwei bis drei Monaten im Weltraum durchgeführt werden. Problematisch ist jedoch, dass das Verfahren zur Anmeldung und Durchführung eines Experiments bei einer staatlichen Raumfahrtbehörde wie der European Space Agency (ESA) bis zu fünf Jahre dauert und über eine Million Euro kostet. Ein großes Hindernis für viele Forschungsteams.

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Wiederverwendbare Space Bioreaktoren

Eine Antwort auf dieses Problem liefert das 2019 gegründete deutsche Start-Up yuri. Da Mikroorganismen stets unter den gleichen Umweltbedingungen wie 37 Grad Celsius untersucht werden, hat yuri einen Space Bioreaktor im handlichen Standardformat entwickelt. Bioreaktoren sind künstliche Systeme, die Mikroorganismen am Leben erhalten können. Die würfelförmige Science Box, die je zehn Zentimeter hoch, breit und tief ist, kann bis zu drei selbstständig funktionierende Experimente mit Zell- und Proteinkulturen transportieren. „Durch die Wiederverwendbarkeit verringern sich Kosten und Zeitaufwand, sodass Forschungsteams ihre Experimente günstiger und innerhalb von sechs Monaten auf die ISS schicken können“, erklärt Mitgründer Mark Kugel.

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In einem Space Bioreaktor von yuri haben drei Experimente Platz, die in dafür gefertigte Space Shells (siehe Foto) eingebettet werden. Die Experimente werden dann in der Science Box mit einer Rakete auf die ISS geflogen.
Bild: Yuri

Yuri hat bereits Experimenten der University of Technology Sydney und der University of California Los Angeles ins All verholfen. Auch deutsche Forschungsinstitute sind an Kooperationen mit dem Unternehmen interessiert. Keine staatliche Einrichtung sei so schnell und günstig darin, Experimente auf die ISS zu schicken wie Yuri. Kugel hofft, dass sie mit ihrer Arbeit die Erforschung schwerer Krankheiten unterstützen können. „Wir wollen nicht nur den sieben Astronaut*innen im Weltall helfen, sondern vor allem den sieben Milliarden Menschen auf der Erde.“