Mikrogravitation ist kein exotischer Begriff, der nur Astronauten vorbehalten ist; sie ist ein Arbeitsinstrument für eine neue Generation von Bioingenieuren und Arzneimittelherstellern. Wenn sich ein Material oder eine Flüssigkeit in einem Zustand des quasi schwerelosen Falls befindet, werden übliche Gravitationseffekte wie Konvektion, Sedimentation und durch Dichteunterschiede verursachte Scherspannungen unterdrückt. In einer solchen Umgebung, auf der Internationalen Raumstation (ISS), hat ein Forschungsteam der University of Connecticut (UConn) und des Biotech-Startups Eascra Biotech nachgewiesen, dass Janus-Basis-Nanomaterialien (JBN) in einer wesentlich gleichmäßigeren Form als auf der Erde hergestellt werden können, was ihre therapeutische Funktionalität bei der Behandlung von Osteoarthritis und schwer durchdringbaren soliden Tumoren direkt verbessert.

Warum Osteoarthritis ein brennendes Problem ist und wir einen neuen Ansatz brauchen

Osteoarthritis ist die am weitesten verbreitete Form von Arthritis und eine der Hauptursachen für chronische Schmerzen und eingeschränkte Mobilität bei Erwachsenen. Sie betrifft zig Millionen Menschen und führt oft zu komplexen, teuren chirurgischen Eingriffen, einschließlich Gelenkersatz. Zu den Risikofaktoren gehören Alter, Übergewicht, frühere Gelenkverletzungen und biomechanische Belastungen. Standardtherapien sind überwiegend symptomatisch: Sie lindern Schmerzen und Entzündungen, regenerieren aber nicht den abgenutzten Knorpel und stoppen auch nicht das Fortschreiten der Krankheit. Daher wächst das Interesse an regenerativen und präzise zielgerichteten Therapien, die in die molekularen Pfade des Knorpelabbaus eingreifen und die Erneuerung der extrazellulären Matrix ohne invasive Chirurgie anregen könnten.

Was sind JBNs und wie organisieren sie sich selbst zu funktionalen Nanostrukturen

Janus-Basis-Nanomaterialien (JBN) sind eine besondere Klasse synthetischer Moleküle, die von DNA-Basenpaaren inspiriert sind. Jedes Molekül hat zwei „Gesichts-Seiten“ mit sorgfältig angeordneten Wasserstoffbrücken-Donoren und -Akzeptoren. In einem wässrigen Medium organisieren sich diese Einheiten zunächst selbst zu ringförmigen Rosetten und stapeln sich dann „wie Teller“ zu hohlen Nanoröhrchen oder fein kontrollierten Nanomatrizes. Eine solche Geometrie ermöglicht drei Schlüsseleigenschaften für die medizinische Anwendung: (1) die vollständige Einkapselung der therapeutischen Fracht (z. B. siRNA, mRNA, kleine Moleküle, Protein-Arzneimittel) zur Stabilität und kontrollierten Freisetzung; (2) die präzise gezielte Penetration durch dichte biologische Barrieren (Knorpel, Nieren, extrazelluläre Matrix solider Tumoren); (3) ein geringer immunologischer Fußabdruck, da die chemischen Motive Nukleinsäurebasen nachahmen und keine starke unerwünschte Immunantwort auslösen.

Auf der Erde werden diese Nanostrukturen typischerweise durch eine sanfte, wässrige Selbstorganisation bei Raumtemperatur ohne extreme Drücke oder Temperaturen gewonnen. Aber gerade weil die „Natur selbst baut“, kann jeder mikroskopische Wirbel oder Gradient, der durch die Schwerkraft verursacht wird, die Gleichmäßigkeit des Wachstums stören. Konvektionsströme, Sedimentation und thermokapillare Oberflächenströmungen (Marangoni-Strömungen) erzeugen „Hotspots“ und Verdünnungen in der Lösung, was zu Aggregaten, Mikroporen und unvollkommenen Poren führt. Die Folge sind Defekte, die die mechanische Stabilität, Wiederholbarkeit und die Fähigkeit, ein Medikament zuverlässig zu transportieren, beeinträchtigen.

Mikrogravitation als „Reinraum“ für die Selbstorganisation

In einer niedrigen Erdumlaufbahn, wo die ISS den Planeten umkreist, etwa 16 Mal am Tag in einer Höhe von rund 400 Kilometern, werden die Auswirkungen der Schwerkraft fast aufgehoben. Unter solchen Bedingungen werden Konvektionsströme und die Ablagerung von Partikeln unterdrückt, und die Diffusion wird zum dominanten Mechanismus des Stofftransports. Für Materialien, die durch Selbstorganisation entstehen, bedeutet dies eine „ruhige“ chemische Umgebung: Die Moleküle haben Zeit, thermodynamisch günstige und homogenere Anordnungen zu bilden, ohne lokale Wirbel und Gradienten, die sie in die falsche Phase oder die falsche Stapelreihenfolge „ziehen“ würden.

Wenn dieselbe chemische Rezeptur und dieselben Konzentrationen aus einem terrestrischen Reaktor in eine Mikrogravitationskassette überführt werden, ist der Unterschied unter dem Elektronenmikroskop und in den Messungen sichtbar: gleichmäßigere Röhrendurchmesser, regelmäßigere Schichtung der Matrizes, weniger Defekte und gleichmäßigere Porosität. Und da gerade die Geometrie für die Freisetzung und Retention der therapeutischen Fracht entscheidend ist, führt eine Verbesserung der Struktur automatisch zu einer besseren therapeutischen Funktion.

Was das Team von UConn–Eascra in einer Reihe von Weltraumkampagnen erreicht hat

Im Rahmen mehrerer Raumflüge in den Jahren 2024 und 2025 optimierten die Forscher die Protokolle für die Selbstorganisation von JBNs in der Mikrogravitation. Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Sprung in der Gleichmäßigkeit und Regelmäßigkeit der Struktur, wobei interne Metriken für Struktur und Porosität eine bis zu etwa 40 % bessere Ordnung im Vergleich zu den besten auf der Erde hergestellten Chargen zeigten. Dabei blieb die chemische Formel dieselbe; die entscheidende Veränderung war die Eliminierung der schwerkraftbedingten Strömungen während der kritischen Phasen der Nukleation und Reifung.

Aufgrund dieser Fortschritte entwickelt Eascra ein automatisiertes, geschlossenes System für die Synthese und Reifung von JBNs im Orbit. Das Ziel ist ein Prozess, der von der Dosierung und dem kontrollierten „Mischen durch Diffusion“ über das zeitliche Reifungsprofil bis zur Aushärtung der Matrix ohne menschliches Eingreifen funktioniert und dabei alle Prozessparameter für die Qualitätsanalytik aufzeichnet. Die langfristige Vision umfasst den Übergang von der ISS zu zukünftigen kommerziellen Plattformen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO), mit größeren Chargen und häufigeren Probenrotationen zur Erde für Tests und Validierung.

Wie JBNs in die Therapie von Osteoarthritis passen

Knorpel ist ein avaskuläres, dichtes Gewebe. Aus diesem Grund schaffen es viele Injektionstherapien nicht, das Medikament in die tieferen Schichten zu befördern, in denen die Chondrozyten leben. Janus-Basis-Nanopartikel sind so konzipiert, dass sie sich durch das Netzwerk aus Kollagen und Proteoglykanen „fädeln“ und in ihrem hohlen Kern therapeutische Moleküle transportieren. In einem realistisch vorgestellten Behandlungsszenario würden JBN-Partikel, die siRNA/mRNA einkapseln, per Injektion in das Gelenk eingebracht; sie würden gleichzeitig entzündliche Pfade und katabolische Enzyme unterdrücken und die Expression von Genen fördern, die für die Synthese der extrazellulären Matrix verantwortlich sind.

Bei Läsionen, die mechanische Unterstützung erfordern, wirkt eine Janus-Basis-Nanomatrix als bioabbaubares Gerüst (Scaffold): ein Mikro-Rahmen, in den sich Chondrozyten „verankern“ können und in dem die richtigen biochemischen Signale für die Geweberegeneration aufrechterhalten werden können. Der Vorteil ist, dass eine solche Matrix so formuliert werden kann, dass sie die therapeutische „Fracht“ langsam freisetzt und so die therapeutische Wirkung über einen längeren Zeitraum aufrechterhält, was die Anzahl der wiederholten Injektionen reduziert.

Präzise Penetration in solide Tumoren: Anwendung in der Onkologie

Solide Tumoren – zum Beispiel Bauchspeicheldrüsenkrebs oder dreifach negativer Brustkrebs – haben ein dichtes Stroma, einen erhöhten interstitiellen Druck und eine ungleichmäßige Vaskularisierung, was die Medikamentenabgabe extrem schwierig macht. JBNs bieten einen doppelten Vorteil: (1) Sie können mit Liganden funktionalisiert werden, die auf spezifische Rezeptoren auf Tumorzellen oder Elementen des Stromas abzielen, was die Selektivität erhöht; (2) ihre hohle Architektur ermöglicht die vollständige Einkapselung von Zytostatika, zielgerichteten Inhibitoren oder Nukleinsäuren, was die Exposition gesunder Gewebe und Nebenwirkungen reduziert. Da JBNs chemisch DNA-Motive nachahmen, lösen sie keine starke unerwünschte Immunantwort aus und können das Medikament länger im Tumor halten als herkömmliche Träger.

Was die Mikrogravitation auf der Ebene der Fluiddynamik verändert

Unter terrestrischen Bedingungen werden Produktionslösungen ständig von Konvektion (aufgrund von Temperatur- und Dichteunterschieden), Sedimentation (Ablagerung von Partikeln durch die Schwerkraft) und Marangoni-Strömungen (Strömungen entlang einer Grenzfläche aufgrund von Oberflächenspannungsgradienten) „geplagt“. Diese Prozesse schaffen ungleichmäßige Mikrowelten, in denen Nano-Rosetten und Nanoröhrchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und an falschen Stellen wachsen. In der Mikrogravitation werden diese Effekte dramatisch gedämpft; die Diffusion wird zum Haupttransportmechanismus, und alle Moleküle „sehen“ ähnliche Bedingungen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Nukleation, einem langsameren, aber regelmäßigeren Wachstum und letztendlich zu einer stabileren Nano-Architektur mit weniger Defekten.

Von der Demonstration zur industriellen Produktion

Die ersten im Weltraum hergestellten JBN-Chargen waren als Machbarkeitsnachweis und direkter Vergleich mit auf der Erde hergestellten Chargen konzipiert. Doch als sich die messbaren Unterschiede in Struktur und Funktion wiederholten, verlagerte sich der Fokus auf die Skalierung. Eascra entwickelt automatisierte Kassetten und Steuerungen, die die Synthese und Reifung im Orbit serienmäßig mit minimalem Einsatz der Besatzung durchführen können. Eine solche Robotisierung senkt die Kosten pro Charge und öffnet die Tür zu größeren Mengen, was eine Voraussetzung für präklinische und langfristig auch klinische Programme ist.

Parallel dazu werden Logistikketten etabliert: häufigere Versorgungsflüge zur ISS, schnellere Rückkehr von Proben zur Erde und die Migration zu kommerziellen Plattformen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO). Mit der Reifung der LEO-Industrie sinken die Flugkosten, und der iterative Zyklus „formulieren–produzieren–testen–wiederholen“ wird auch für agile Biotech-Teams machbar.

Sicherheits- und regulatorischer Horizont

Der Weg zum Patienten führt über präklinische und klinische Studien sowie die Einhaltung der Good Manufacturing Practice (GMP)-Standards. JBNs haben einen wichtigen Vorteil: Die grundlegende Chemie findet unter milden, wässrigen Bedingungen statt, ohne organische Lösungsmittel und hohe Temperaturen. Dies erleichtert den Nachweis der Reinheit und verringert das Kontaminationsrisiko. Automatisierte, geschlossene Einwegreaktoren vereinfachen zusätzlich die Kontrolle der Sterilität und die Rückverfolgbarkeit der Prozessparameter – was für die behördliche Zulassung entscheidend ist.

Breiterer Markt und Potenzial: über Gelenke hinaus, zu anderen dichten Geweben

Wenn sich die Vorteile der Gleichmäßigkeit und Funktionalität in weiteren Validierungen bestätigen, könnte die Plattform die Tür zu Therapien für Indikationen öffnen, bei denen die Medikamentenabgabe bisher ein Engpass war: Nierenerkrankungen (aufgrund dichter Basalmembranen), fibrotische Erkrankungen der Lunge und Leber sowie Tumoren mit einer besonders reichen extrazellulären Matrix. Ein weiterer operativer Vorteil: JBNs können die Bioaktivität der Fracht bei Raumtemperatur aufrechterhalten, was die Abhängigkeit von der „Kühlkette“ verringert und potenziell die Verfügbarkeit von Präzisionstherapien über die größten klinischen Zentren hinaus erweitert.

Zeitlicher Kontext: Wo das Projekt heute steht

Mit Stand vom heutigen Datum, dem 03. Oktober 2025, liegen hinter dem Team mehrere Weltraumkampagnen und eine ständige Iteration der Protokolle. Die Frachtflugmissionen zur ISS im Frühjahr 2025 umfassten zusätzliche Experimente, die auf eine weitere Erhöhung der Uniformität und eine vollständig automatisierte Steuerung der Reaktionen abzielten. Derzeit wird die Stabilität der im Weltraum produzierten Chargen analysiert – wie lange sie ihre mechanischen Eigenschaften und ihre therapeutische Wirksamkeit während der Lagerung beibehalten – sowie Vergleiche mit den neuesten auf der Erde produzierten Chargen angestellt. Das Team testet parallel Parameter, die in hybride Prozesse übersetzt werden könnten: die Selbstorganisation im Weltraum beginnen und die „Reifung“ unter kontrollierten Bedingungen auf der Erde beenden, um Kosten und Zykluszeit zu reduzieren.

Warum gerade LEO die richtige Adresse für diese Art der Produktion ist

LEO ist nicht „der ferne Weltraum“; es ist eine Infrastruktur in etwa 400 km Höhe über der Erde, die in Stunden erreicht werden kann, und Proben können innerhalb von Tagen ins Labor zurückgebracht werden. Ein solcher Rhythmus ermöglicht schnelle Iterationen, und das Wachstum kommerzieller Plattformen erweitert die Kapazitäten und drückt die Kosten. Für Prozesse, die ruhige Bedingungen ohne gravitationsbedingte Störungen erfordern – wie die Selbstorganisation von JBNs – ist LEO eine industrielle Nische, die einen unmittelbaren Nutzen auf der Erde hat: bessere Chargen, gleichmäßigere Eigenschaften, vorhersagbarere Medikamentenfreisetzung und potenziell bessere Behandlungsergebnisse.

Blick nach vorn: von Osteoarthritis zur personalisierten Onkologie

Die JBN-Plattform ist von Natur aus modular. Dieselben „Kanäle“ und „Matrizes“ können unterschiedliche therapeutische Pakete transportieren, die auf die Genomik eines Tumors oder das molekulare Profil einer degenerativen Erkrankung eines einzelnen Patienten zugeschnitten sind. In Kombination mit Diagnostik, die aus dem Blut oder der Synovialflüssigkeit in Echtzeit entzündliche Pfade überwacht, eröffnet sich die Möglichkeit einer schrittweisen, präzisen Dosierung anstelle von einmaligen „Schock“-Therapien. Genau diese Glätte des Prozesses in der Mikrogravitation – weniger Defekte und höhere Wiederholbarkeit – wird zum Übersetzer der Wissenschaft in ein stabiles medizinisches Produkt.

Für Leser und Forscher aus Kroatien und der Region ist die Botschaft praktisch: Die Produktion im Weltraum ist keine Fiktion mehr. Durch Partnerschaften und industrielle Kooperationen ist es möglich, Prozesse zu konzipieren, die die Mikrogravitation für gleichmäßige Materialien nutzen, die auf der Erde schwer reproduzierbar herzustellen sind, und sie dann in Therapien mit hohem ungedecktem Bedarf anzuwenden. Richtlinien, Ausschreibungen und technische Anleitungen werden regelmäßig auf den Webseiten des ISS National Lab, in den Veröffentlichungen des Nanomedizin-Labors der UConn und auf den Seiten von Eascra Biotech veröffentlicht, was als Ausgangspunkt für eigene Projektideen und internationale Konsortien dienen kann.