Die Raumfahrt, ein Traum der Menschheit und der Höhepunkt des technologischen Fortschritts, birgt eine unerwartete und faszinierende Parallele zu einem der grundlegendsten biologischen Prozesse auf der Erde – dem Altern. Auf den ersten Blick scheint der Aufenthalt in der Schwerelosigkeit befreiend zu sein, doch für den menschlichen Körper ist es eine Umgebung, die eine Kaskade physiologischer Veränderungen auslöst, die denen, die wir im Laufe der Jahre erleben, unglaublich ähnlich sind. Eine der ausgeprägtesten Herausforderungen, mit denen Astronauten konfrontiert sind, ist der beschleunigte Verfall des Körpers, der sich durch Muskelschwäche, Verlust der Knochendichte und ein geschwächtes Immunsystem manifestiert. Diese Symptome, die auf der Erde normalerweise mit dem dritten Lebensalter in Verbindung gebracht werden, werden im Weltraum für die gesündesten und körperlich fittesten Personen zum Alltag.

Diese erstaunliche Ähnlichkeit hat die wissenschaftliche Gemeinschaft zu weiteren Forschungen veranlasst. Während die systemischen Auswirkungen der Raumfahrt auf den Körper gut dokumentiert sind, blieben die Mechanismen, die auf mikroskopischer, zellulärer Ebene ablaufen, weitgehend unerforscht. Genau diese Lücke beschloss Sharon van Rijthoven, eine Studentin an der Delft University of Technology und der Vrije Universiteit Amsterdam, während ihres Praktikums bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zu füllen. Ihre Forschung drang in den Kern des Problems ein und verglich zelluläre Marker des Alterns mit den Veränderungen, die Zellen unter Bedingungen veränderter Schwerkraft erfahren.

Der menschliche Körper in einer schwerelosen Welt

Wenn Astronauten auf der Internationalen Raumstation (ISS) ankommen, betreten sie eine Welt ohne Gewicht. Das Schweben durch die Module mag unterhaltsam erscheinen, aber das Fehlen der Schwerkraft bedeutet, dass das Muskel-Skelett-System, das für den ständigen Kampf gegen die Erdanziehungskraft konzipiert ist, seine Hauptfunktion verliert. Die Muskeln, die uns aufrecht halten, und die Knochen, die unser Gewicht tragen, werden plötzlich teilweise überflüssig. Ohne ständige Belastung beginnt der Körper einen Anpassungsprozess, der im Wesentlichen ein Prozess der Atrophie ist. Die Muskelfasern schrumpfen, und die Knochen verlieren Kalzium und andere wichtige Mineralien, wodurch sie brüchiger und poröser werden. Es wird geschätzt, dass Astronauten in der Schwerelosigkeit bis zu 1 % bis 2 % ihrer Knochendichte pro Monat in Schlüsselknochen wie dem Oberschenkelknochen verlieren können, eine Verlustrate, die mit der von älteren Frauen mit Osteoporose auf der Erde vergleichbar ist.

Um diesem drastischen Verfall entgegenzuwirken und eine sichere Rückkehr zur Erde zu gewährleisten, wo ihre Körper wieder der vollen Schwerkraft ausgesetzt sein werden, unterziehen sich die Astronauten einem äußerst strengen und anspruchsvollen Trainingsprogramm. Täglich, sechs Tage die Woche, verbringen sie etwa zweieinhalb Stunden mit Training. Ihr Weltraum-Fitnessstudio ist mit speziellen Geräten ausgestattet, die für den Einsatz in der Schwerelosigkeit konzipiert sind. Dazu gehören Geräte wie das ARED (Advanced Resistive Exercise Device), das Vakuumzylinder verwendet, um das Heben von Gewichten zu simulieren, das Laufband T2, an dem die Astronauten mit elastischen Gurten befestigt sind, damit sie nicht wegschweben, und das stationäre Fahrrad CEVIS (Cycle Ergometer with Vibration Isolation and Stabilization System). Diese Anstrengungen sind entscheidend für die Erhaltung der Muskelkraft und die Förderung des Knochenmassen-Erhaltes.

Zelluläre Parallelen zwischen Raum und Zeit

Sharon van Rijthoven betonte in ihrer Forschung, dass wir zwar auf der Ebene des Gesamtorganismus zahlreiche Ähnlichkeiten zwischen den Auswirkungen des Alterns und der Mikrogravitation sehen, sich aber nur wenige Studien auf Veränderungen auf zellulärer Ebene konzentriert haben. Ihre Arbeit, die im renommierten FASEB Journal veröffentlicht wurde, legte den Grundstein für das Verständnis dieser Verbindung von Grund auf – aus der Perspektive der Zelle selbst.

Um eine umfassende Analyse durchzuführen, betrachtete Sharon drei Formen der veränderten Schwerkraft, die sich von dem unterscheiden, was wir täglich auf der Erde erleben. Die erste ist natürlich die Mikrogravitation, der Zustand nahezu vollständiger Schwerelosigkeit, den Astronauten im Orbit erleben. Die zweite ist die simulierte Mikrogravitation, die Wissenschaftler auf der Erde mit verschiedenen Techniken erzeugen können. Für biologische Proben wie Zellkulturen werden Geräte wie die Random Positioning Machine oder ein Klinostat verwendet, die durch ständige Rotation verhindern, dass die Zellen eine einzige Richtung der Schwerkraft "spüren". Für Humanstudien wird am häufigsten das Modell der Bettruhe mit nach unten geneigtem Kopf (Head-Down Tilt Bed Rest) verwendet, bei dem der längere Aufenthalt in dieser Position die Flüssigkeitsumverteilung und die verringerte Belastung des Unterkörpers simuliert, ähnlich wie im Weltraum. Die dritte Form ist die Hypergravitation oder erhöhte Schwerkraft, die in Zentrifugen mit großem Durchmesser erzeugt werden kann, wie sie die ESA besitzt und die Proben Kräften aussetzt, die um ein Vielfaches stärker sind als die Erdanziehungskraft.

Unerwartete Ergebnisse einer tiefen zellulären Analyse

Die Studie verglich ganze 165 bekannte Anzeichen des Alterns auf zellulärer Ebene mit bestehenden Forschungen über die Auswirkungen veränderter Schwerkraft auf Zellen. Die anfängliche Hypothese war logisch und elegant: Da Mikrogravitation systemische Symptome ähnlich dem Altern verursacht, wurde erwartet, dass auch die zellulären Marker dieselbe Tendenz zeigen würden. Die Annahme war, dass die Zeichen des Alterns mit denen übereinstimmen würden, die in realer oder simulierter Mikrogravitation beobachtet wurden, während in der Hypergravitation die Effekte entgegengesetzt sein würden, möglicherweise sogar "verjüngend" für die Zelle.

Doch wie es in der Wissenschaft oft der Fall ist, waren die Ergebnisse alles andere als einfach und eindeutig. Das Ergebnis erschütterte die anfänglichen Erwartungen und offenbarte ein viel komplexeres Bild. Von den 165 analysierten zellulären Anzeichen des Alterns zeigten weniger als ein Drittel eine Übereinstimmung, d. h. einen ähnlichen Effekt zwischen biologischem Altern und der Exposition gegenüber realer oder simulierter Mikrogravitation. Ein weiteres Drittel der Anzeichen wurde im Kontext der veränderten Schwerkraft noch überhaupt nicht untersucht, was auf ein riesiges Feld für zukünftige Forschungen hindeutet. Besonders überraschend war, dass fünfzehn Prozent der Anzeichen völlig entgegengesetzte Effekte zeigten. Mit anderen Worten, in mancher Hinsicht wirkte die Mikrogravitation auf die Zellen entgegengesetzt zum Alterungsprozess. Diese Ergebnisse lieferten keine klare Antwort auf die Frage, warum die systemischen Auswirkungen des Alterns und der Mikrogravitation so ähnlich sind, aber sie öffneten die Tür zu neuen, faszinierenden Theorien.

Eine neue Hypothese: 'Verzerrte' zelluläre Kommunikation

Angesichts dieser komplexen Daten schlug Sharon van Rijthoven in ihrer Arbeit eine innovative Theorie vor. Obwohl sowohl das Altern als auch die veränderte Schwerkraft die Art und Weise beeinflussen, wie Zellen miteinander "sprechen", schlägt sie vor, dass die zugrunde liegenden Mechanismen völlig unterschiedlich sind. Ihre Hypothese konzentriert sich auf einen Prozess namens Mechanotransduktion. Dies ist die grundlegende Fähigkeit von Zellen, physikalische Kräfte aus ihrer Umgebung – wie Druck, Dehnung oder Schwerkraft – zu spüren und diese mechanischen Reize in biochemische Signale umzuwandeln, die ihr Verhalten, ihr Wachstum und ihre Funktion steuern.

In der Schwerelosigkeit, so prognostiziert Sharon, ist dieser wichtige Kommunikationsweg gestört. Die Zellen, die des ständigen Schwerkraftsignals beraubt sind, werden "taub" für ihre physische Umgebung. Sharon erklärt dies anschaulich mit der Analogie zum Spiel "Stille Post", bei dem eine Nachricht von Person zu Person weitergegeben wird und am Ende völlig verzerrt ist. In der zellulären Welt führt der Verlust eines klaren mechanischen Signals zu einer Kaskade von fehlerhaften biochemischen Befehlen. Die Zellen beginnen, verwirrende Anweisungen zu erhalten, was sie dazu veranlasst, sich so zu verhalten, als ob sie altern würden – sie verringern ihre Aktivität, ändern ihre Genexpression oder treten in einen Ruhezustand ein. Der entscheidende Unterschied besteht laut dieser Theorie darin, dass es beim biologischen Altern zu einer echten, oft irreversiblen Schädigung zellulärer Komponenten kommt, während bei der Mikrogravitation das Problem in der "Software" liegt – in der verzerrten Kommunikation und nicht unbedingt in der "Hardware" der Zelle selbst.

Diese Theorie impliziert, dass Zellen im Weltraum das Altern nachahmen, aber nicht auf die gleiche grundlegende Weise altern. Dies erklärt, warum die Auswirkungen eines Raumflugs im Gegensatz zum echten Altern größtenteils reversibel sind. Wenn die Astronauten zur Erde zurückkehren, stellt die Schwerkraft wieder ein klares mechanisches Signal her, das "Stille Post" wird repariert und die Zellen kehren allmählich zu ihrer normalen Funktion zurück. Diese Erkenntnis ist eine äußerst gute Nachricht für Astronauten, die die ISS besuchen. Auf einer breiteren wissenschaftlichen Ebene unterstreicht diese Forschung, wie viele Unbekannte es noch gibt, wenn es um die zellulären Auswirkungen der veränderten Schwerkraft geht, und eröffnet neue Felder für zukünftige Experimente und Studien. Jack van Loon, Sharons Mentor aus dem ESA-Labor, betont, dass diese Studie perfekt die Vorteile demonstriert, jungen Forschern Chancen zu geben, deren frischer Blick zu beeindruckenden Veröffentlichungen und zur Identifizierung von Schlüsselbereichen für zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen führen kann.