Im komplexen Laborbereich der Internationalen Raumstation eröffnet die Erforschung des Lebens auf subzellulärer Ebene ein neues Kapitel der Wissenschaft, das Raumfahrt und biomedizinische Herausforderungen auf der Erde verbindet. Die Erforschung von Zellen in der Mikrogravitation liefert entscheidende Erkenntnisse – vom Verständnis der Mechanismen der zellulären Schwerkraftwahrnehmung bis hin zur Anwendung bei der Behandlung von Krankheiten wie Osteoporose, Muskelatrophie, Herz-Kreislauf-Störungen und neurologischen Degenerationen.

Zellen – die Grundlage des Lebens im Weltraum

Zellen sind die Grundeinheiten des Lebens und kommen in allen Lebewesen vor, von einzelligen Bakterien bis hin zu komplexen Organismen wie Menschen und Pflanzen. Jede Zelle hat eine einzigartige Struktur und Funktion: Während Nervenzellen lange Fasern zur Signalübertragung nutzen, haben Pflanzenzellen feste Zellwände, die ihnen mechanische Stütze geben. Unter Mikrogravitationsbedingungen können sich diese grundlegenden Funktionen erheblich verändern, was Raum für neue wissenschaftliche Entdeckungen schafft.

Cell Gravisensing – die Entdeckung, wie Zellen die Schwerkraft "fühlen"

Eine der faszinierendsten Fragen in der Weltraumbiologie ist, wie Zellen die An- oder Abwesenheit von Schwerkraft registrieren. Die japanische Raumfahrtagentur JAXA führt ein Experiment namens Cell Gravisensing durch, das sich auf die molekularen Mechanismen der Schwerkraftwahrnehmung konzentriert. Forschungen zeigen, dass Veränderungen in der Spannung von Zellfasern Signalwege beeinflussen, Ionenkanäle aktivieren und eine Reihe von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen können. Zu diesem Zweck werden fortschrittliche Methoden der konfokalen Mikroskopie und der FRET-Technologie eingesetzt, um Veränderungen auf Protein- und intrazellulärer Strukturebene zu messen. Die Ergebnisse könnten den Weg für die Entwicklung neuer Therapien gegen Knochenmassenverlust und Muskelatrophie ebnen, sowohl für Astronauten bei Langzeitmissionen als auch für Patienten auf der Erde.

Herz-Kreislauf-Veränderungen – STaARS BioScience-3

Die Mission STaARS BioScience-3 untersuchte Veränderungen in den Zellen, die die Blutgefäße auskleiden. Bereits nach drei Tagen in der Mikrogravitation wurden Veränderungen in der Expression von mehr als 11.000 Genen festgestellt, was die Funktionalität der Blutgefäße erheblich verändern kann. Diese Entdeckung hilft nicht nur zu verstehen, wie die Weltraumumgebung die kardiovaskuläre Gesundheit von Astronauten beeinflusst, sondern liefert auch wertvolle Daten für die Entwicklung von Therapien gegen Herzkrankheiten auf der Erde.

Nervenzellen und Anpassung – STaARS BioScience-4

Die Forschung STaARS BioScience-4 konzentrierte sich auf neurale Stammzellen und ihre Reaktion auf Mikrogravitation. Die Ergebnisse zeigten einen erhöhten Abbau von Zellkomponenten und Veränderungen im Stoffwechsel, was auf eine Anpassung der Zellen an die Bedingungen ohne Schwerkraft hindeutet. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung der Sicherstellung einer optimalen Energieversorgung zur Aufrechterhaltung der kognitiven und physiologischen Funktionen von Astronauten bei langfristigen Weltraummissionen.

Fischschuppen als Modell für Knochen

In einer Studie namens Fish Scales verwendeten Wissenschaftler die Schuppen von Goldfischen als Modell zur Untersuchung menschlicher Knochen. Da Fischschuppen ähnliche Proteine, Mineralien und Zelltypen wie menschliche Knochen enthalten, hilft diese Forschung zu verstehen, wie sich Knochen an unterschiedliche Schwerkraftbedingungen anpassen. Das Experiment umfasste die Exposition der Schuppen gegenüber Bedingungen, die dreimal so stark waren wie die Schwerkraft der Erde, simulierter Mikrogravitation sowie tatsächlicher Mikrogravitation auf der ISS.

Mäuse und Stammzellen – Genetik und Strahlung

Das JAXA-Projekt Stem Cells untersuchte den Einfluss des Raumflugs auf die DNA und die Chromosomen von embryonalen Stammzellen von Mäusen. Ein Teil der Zellen war genetisch unmodifiziert, während der andere Teil empfindlicher auf Strahlung reagierte. Die Ergebnisse zeigten, dass bei den unmodifizierten Zellen keine signifikanten chromosomalen Unterschiede im Vergleich zu Kontrollproben von der Erde auftraten, während bei den empfindlicheren Zellen ausgeprägtere DNA-Anomalien festgestellt wurden. Diese Forschung ist wichtig für die Bewertung des Strahlenrisikos bei langen Weltraummissionen und für das Verständnis der Mechanismen der Krebsentstehung.

Herzanpassung – Ergebnisse der RR-1-Mission

Die Analyse von Herzgewebe von Mäusen aus der Mission RR-1, deren Daten in der GeneLab-Datenbank der NASA verfügbar sind, hat gezeigt, dass sich das Herz in nur 30 Tagen an den Stress der Mikrogravitation anpassen kann. Die in der Studie entdeckten genetischen Veränderungen deuten darauf hin, dass diese Anpassung dazu beitragen kann, die Herzfunktionalität während Weltraummissionen aufrechtzuerhalten und möglicherweise neue Ansätze zur Behandlung von Herzkrankheiten auf der Erde zu eröffnen.

Die ISS als Labor für medizinische Entdeckungen

Die Internationale Raumstation dient als einzigartiges Labor, in dem Wissenschaftlern offene Daten aus zahlreichen Experimenten zur Verfügung stehen. Diese Daten beschleunigen die Entwicklung neuer medizinischer Technologien, von Organ-auf-Chip-Systemen bis hin zu dreidimensionalen Zellkulturen und Organoiden. Solche Modelle ermöglichen ein besseres Verständnis von Krankheiten und die Erprobung von Therapien unter Bedingungen, die menschliche Organe realistisch nachahmen, was ein enormes Potenzial sowohl für die Weltraummedizin als auch für die Gesundheitsversorgung auf der Erde hat.