Mikrogravitation schwächt menschliches Herzgewebe auf der ISS

Dass lange Aufenthalte im Weltraum den menschlichen Körper belasten, ist längst bekannt.

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

Bisherige Studien zeigen, dass ein längerer Aufenthalt im All zu Muskelschwund, einer geringeren Knochendichte, Veränderungen des Sehvermögens und der Genexpression sowie psychischen Problemen führen kann.

Das Wissen über diese Folgen und mögliche Gegenmaßnahmen ist unverzichtbar, da künftige Ziele der Raumfahrt lange Missionen zum Mond, zum Mars und noch weiter hinaus umfassen.

Mikrogravitation schwächt menschliches Herzgewebe

Ein aktuelles Experiment unter Leitung von Forschenden der Johns Hopkins University, unterstützt vom Johnson Space Center der NASA, deutet jedoch darauf hin, dass auch Herzgewebe „im Weltraum wirklich nicht gut zurechtkommt“.

Für das Experiment wurden 48 Proben von bioengineertem menschlichem Herzgewebe für 30 Tage zur ISS geschickt.

Wie die Forschenden in ihrer Arbeit darlegen, schwächt die Einwirkung von Mikrogravitation das Herzgewebe und beeinträchtigt seine Fähigkeit, einen gleichmäßigen Rhythmus aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass zusätzliche Maßnahmen nötig sind, damit Menschen ihre Herz-Kreislauf-Gesundheit im All bewahren können.

Die Studie wurde von Deok-Ho Kim und seinen Kolleginnen und Kollegen vom Department of Biomedical Engineering der Johns Hopkins University (BME-JHU) sowie dem JHU Center for Microphysiological Systems geleitet.

Beteiligt waren außerdem Forschende des Ann and HJ Smead Department of Aerospace Engineering Sciences der UC Boulder, des Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine (ISCRM) und des Center for Cardiovascular Biology an der University of Washington, des Stanford Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine, von BioServe Space Technologies und des Johnson Space Center der NASA.

Die Veröffentlichung mit den Ergebnissen erschien gestern, am 23. September, in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Frühere Untersuchungen haben bereits ergeben, dass Astronautinnen und Astronauten nach ihrer Rückkehr von der ISS zahlreiche gesundheitliche Folgen aufweisen, die bestimmten altersbedingten Beschwerden ähneln. Dazu zählen eine verringerte Funktion des Herzmuskels und unregelmäßige Herzschläge, also Arrhythmien; die meisten dieser Effekte lassen mit der Zeit nach.

Bislang hatte jedoch keine dieser Untersuchungen geklärt, was auf zellulärer und molekularer Ebene geschieht. Um die Auswirkungen und mögliche Schutzmaßnahmen besser zu verstehen, schickten Kim und sein Team eine automatisierte „Herz-auf-einem-Chip“-Plattform zur ISS.

Herz-auf-einem-Chip auf der ISS

Für diese Nutzlast nutzte das Team menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs), die sich in viele unterschiedliche Zelltypen entwickeln können. Daraus wurden Kardiomyozyten, also Herzmuskelzellen, erzeugt. Das entstandene Gewebe wurde in einen miniaturisierten, bioengineerten Gewebechip eingebracht, der die Umgebung eines erwachsenen menschlichen Herzens nachbilden sollte.

Die Chips sollten erfassen, wie sich das Gewebe rhythmisch zusammenzieht und damit den Herzschlag nachahmt. Eine Reihe der Biochips startete im März 2020 mit der SpaceX-Mission CRS-20 zur ISS, während eine zweite Reihe als Kontrollgruppe auf der Erde verblieb.

Auf der ISS betreute die Astronautin Jessica Meir das Experiment. Einmal wöchentlich wechselte sie die flüssigen Nährstoffe, die das Gewebe umgaben. Zudem konservierte sie in festgelegten Abständen Gewebeproben, damit nach ihrer Rückkehr zur Erde Genanalysen und bildgebende Untersuchungen vorgenommen werden konnten.

Parallel dazu übermittelte das Experiment alle 30 Minuten für jeweils 10 Sekunden Echtzeitdaten zur Kontraktion der Gewebeproben und zu möglichen unregelmäßigen Schlagmustern, den Arrhythmien, an die Erde.

„Eine unglaubliche Menge an Spitzentechnologie aus den Bereichen Stammzell- und Gewebeengineering, Biosensorik und Bioelektronik sowie Mikrofabrikation war erforderlich, um die Lebensfähigkeit dieser Gewebe im Weltraum sicherzustellen“, erklärte Kim in einer aktuellen Mitteilung von Hub.

Nachdem die Gewebekammern zur Erde zurückgekehrt waren, versorgten Kim und seine Kolleginnen und Kollegen die Proben weiter und sammelten zusätzliche Daten, um Veränderungen ihrer Kontraktionsfähigkeit zu prüfen. Neben dem Kraftverlust entwickelten die Muskelgewebe Arrhythmien, die mit altersbedingten Herzerkrankungen übereinstimmen.

Bei einem gesunden menschlichen Herzen liegt zwischen zwei Schlägen etwa eine Sekunde. Bei den Gewebeproben dauerte dieser Abstand nahezu fünfmal so lange – nach der Rückkehr zur Erde normalisierte er sich jedoch fast wieder.

Veränderungen von Zellen, Mitochondrien und Genen

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Proteinbündel der Gewebezellen, die ihre Kontraktion ermöglichen – die Sarkomere –, kürzer und ungeordneter waren als bei der Kontrollgruppe. Auch dies gilt als Anzeichen einer Herzerkrankung.

Zudem wurden die Mitochondrien in den Gewebeproben größer und runder. Sie verloren die charakteristischen Faltungen, die ihnen helfen, Energie zu erzeugen und zu nutzen.

Schließlich zeigte die Genanalyse des Gewebes eine erhöhte Genproduktion im Zusammenhang mit Entzündungen sowie ein Ungleichgewicht zwischen freien Radikalen und Antioxidantien, also oxidativen Stress.

Dies entspricht nicht nur altersbedingten Herzerkrankungen, sondern wird auch regelmäßig bei Nachuntersuchungen von Astronautinnen und Astronauten nach ihren Flügen festgestellt. Nach Einschätzung des Teams erweitern die Erkenntnisse das wissenschaftliche Verständnis möglicher Auswirkungen von Mikrogravitation auf die menschliche Gesundheit im All. Gleichzeitig könnten sie die Forschung zur Alterung des Herzmuskels und zu Therapien auf der Erde voranbringen.

2023 knüpfte Kims Labor an das Experiment an und schickte eine zweite Serie von Gewebeproben zur ISS. Damit sollten Medikamente getestet werden, die Herzmuskeln vor den Folgen der Mikrogravitation schützen und Menschen helfen könnten, ihre Herzfunktion im Alter zu erhalten.

Währenddessen verbessert das Team sein Gewebe-auf-einem-Chip-System weiter und arbeitet mit dem Space Radiation Laboratory der NASA zusammen, um die Auswirkungen von Weltraumstrahlung auf Herzmuskeln zu erforschen.

Diese Tests sollen bewerten, welche Gefahr Sonnen- und kosmische Strahlung für die Herz-Kreislauf-Gesundheit außerhalb des niedrigen Erdorbits (LEO) darstellt, wo das Magnetfeld der Erde vor dem größten Teil der Weltraumstrahlung schützt.

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