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Von Parabelflug bis ISS Schwerelos Forschen – Wie wirkt die Schwerelosigkeit auf unsere Nervenzellen?

Autor / Redakteur: Dr. Florian Kohn und PD Dr. Claudia Koch* / Dr. Ilka Ottleben

Forschen unter veränderten Schwerkraftbedingungen setzt bei Forschern und Ingenieuren Umdenken voraus. Wenn es plötzlich kein Oben und Unten mehr gibt, ist das nicht nur für die Forscher spannend – auch an die Analysentechnik stellen sich dabei besondere Anforderungen.

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Abb. 1: Claudia Koch und Florian Kohn im Parabelflugzeug.
Abb. 1: Claudia Koch und Florian Kohn im Parabelflugzeug.
(Bild: Universität Hohenheim)

Das Leben auf der Erde hat sich unter relativ konstanter Erdbeschleunigung (9,81 m/s2 oder 1 g) entwickelt und hat sich im Laufe der Evolution hervorragend an diese Bedingungen angepasst. Pflanzen z.B. erkennen, wo oben und unten ist, und wir Menschen können uns dank des Gleichgewichtssinns (meist) hervorragend im dreidimensionalen Raum orientieren. Aber was passiert, wenn sich die Schwerkraftbedingung verändert?

Seit der Mensch beschlossen hat, das All zu erkunden, beschäftigen sich Wissenschaftler mit dieser Frage. Bei Astronauten, die von Weltraummissionen zurückgekehrt sind, wurden die verschiedensten gesundheitlichen Probleme festgestellt. So kommt es zu einer Reduktion der Muskel- und Knochenmasse, das Herz-Kreislauf-System ist beeinträchtigt, das Sehvermögen verschlechtert sich und es kommt durch die Beeinträchtigung des Immunsystems zu einer Aktivierung von ruhenden Viren. Was diese Reaktionen im Körper auslöst, ist Gegenstand aktueller Forschung unterschiedlichster Forschergruppen weltweit.

Wie wirkt die Schwerelosigkeit? – Nervenzellen im Fokus

In Hohenheim gilt die Aufmerksamkeit den Nervenzellen, im speziellen der Zelllinie SH-SY5Y. Vom Nervensystem ist bekannt, dass es unter Schwerelosigkeit zu einer verlangsamten Reizweiterleitung kommt. Anders ausgedrückt, das Reaktionsvermögen nimmt ab. Doch woran liegt das? Um diese Frage beantworten zu können, ist das Verständnis der molekularen Mechanismen in einer Zelle wichtig: Die Offenwahrscheinlichkeit von Ionenkanälen in der Zellmembran nimmt ab, es kommt zu einer leichteren Erregbarkeit der Zelle, jedoch nimmt die Weiterleitungsgeschwindigkeit ab. Diese Erkenntnisse wurden in Experimenten im Parabelflugzeug gewonnen.

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Während dieser Experimente ist es Forschern möglich, ihre eigenen Projekte im Flugzeug durchzuführen, pro Mission an drei bis vier Kampagnentagen und für jeweils 31 Parabeln am Tag. Der umgebaute Airbus A 310 bietet ausreichend Platz für etwa 44 Wissenschaftler. Nach dem Start können diese innerhalb kürzester Zeit an ihre Experimentaufbauten zurückkehren, die Experimente vorbereiten und sie dann während der Hyper- und Hypo-g-Phasen überprüfen. Während das Flugzeug eine Parabel fliegt erfährt alles an Bord zunächst für 25 Sekunden die nahezu doppelte Schwerkraft mit 1,8 g, gefolgt von einer Phase mit 0 g (22 sec) und einer erneuten 25 Sekunden-Phase mit 1,8 g. Der Vorteil der Parabelflugkampagnen liegt auf der Hand – fast wie im eigenen Labor können Wissenschaftler ihre Experimente überwachen, steuern, und – soweit nötig – modifizieren. Dennoch ist die Dauer der Schwerelosigkeit nur kurz und man muss genau überlegen und abwägen, was man in 22 Sekunden an Erkenntnis gewinnen kann.

Ein Mikroskop für den Weltraum

Im Parabelflieger werden von den Wissenschaftlern der Uni Hohenheim derzeit zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Zum einen wird das Verhalten des Zytoskeletts, also der inneren Struktur der Zelle, beobachtet, zum anderen die verschiedenen Eigenschaften der Zellmembran. Zur Untersuchung des Zytoskeletts wurde ein spezielles konfokales Laser-Scanning-Fluoreszenzmikroskop für biologische und biomedizinische Weltraumanwendungen in Kooperation mit dem DLR und Airbus Defence & Space entwickelt und 2014 zum ersten Mal im Parabelflugzeug getestet.

Dieses System, genannt FLUMIAS (Fluorescence-Microscopic Analysis Systems for Space Application), ermöglicht es erstmalig, in Echtzeit die Veränderungen an lebenden Zellen hoch aufgelöst zu betrachten, deren für die Forscher interessanten Strukturen zuvor mittels eines Fluoreszenzfarbstoffes markiert wurden. Die zentrale Komponente des Flumias ist eine Spinning Disc, welche es ermöglicht, den parallelen Scan von mehreren tausend Beobachtungspunkten zu gewährleisten. Das System bietet eine gute axiale (∆z ~ 1,5 µm) und laterale (∆x, ∆y ~ 0,4 µm) Auflösung, ein geringes Photobleaching verglichen mit einem Punktscanner, und in Kombination mit einer modernen sCMOS-Kamera eine schnelle Bildanalyse. Die derzeit möglichen Wellenlängen sind 405/488/ 561/642 nm. Flumias ermöglicht es, zeitliche Experimente und 3D-mikroskopische Analysen schneller zellulärer und intrazellulärer Prozesse wie Ionenfluss, Bewegung der Organellen und Dynamik des Zytoskeletts sowie Protein-Relokalisation sichtbar zu machen.

Nach dem ersten Parabelflug wurde das System des Weiteren 2015 in einer so genannten Sounding Rocket verwendet, welche, im Unterschied zum Parabelflug, etwa sechs Minuten Schwerelosigkeit zur Verfügung stellt. Die Planung für die Nutzung auf der ISS läuft.

Untersuchung der Zellstabilität und Zellmembran

Darüber hinaus wird die Zellstabilität in weiteren Versuchen getestet. Kommt es tatsächlich zu Umbauvorgängen am Zytoskelett, so deutet dies auf eine Reduktion der Steifigkeit hin. Anders ausgedrückt, die Zellen lassen sich leichter verformen. Mittels eines neuen Geräts der Firma Zellmechanik Dresden soll dieser Frage auf den Grund gegangen werden, die Anpassung des Geräts an die Nutzung in einem Parabelflugzeug läuft derzeit. Die Zellen werden in einem Flüssigkeitsstrom gebündelt und mittels einer hochauflösenden Kamera aufgenommen. Der Flüssigkeitsstrom wird nach festgelegten Parametern variiert und erzeugt so unterschiedlichen Druck auf die Zelle. Anschließend wird die Verformung der Zellen bewertet und verglichen, was Rückschlüsse auf den Zustand des Zytoskeletts zulässt. In Kombination mit Messungen am Flumias erhoffen sich die Forscher Klarheit über den veränderten Zustand der inneren Zellstruktur. Der große Vorteil der Zellmechanik liegt in der einfachen Anwendbarkeit, es ist keine Farbstoffzugabe nötig. Darüber hinaus können bis zu 1000 Zellen pro Sekunde gemessen werden. Es ist auch geplant, die Veränderung der Steifigkeit in Newton, der SI-Einheit für Kraft, umrechnen zu können, was einen deutlichen Gewinn an Aussagekraft bedeuten würde.

Die Eigenschaften der Zellmembran lassen sich ebenfalls mittels spezieller Farbstoffe untersuchen, die dann mithilfe eines Hochdurchsatz-Plattenlesers ausgelesen und ausgewertet werden. Verwendet wurde der Hochdurchsatz-Plattenleser Pherastar FS von BMG Labtech. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich die Erregbarkeit von neuronalen Zellen bereits auf der zellulären Ebene verändert (Offenwahrscheinlichkeit von Ionenkanälen, Ruhepotenzial) und es darüber hinaus zu einer Veränderung der Membranviskosität kommt. Einfach ausgedrückt, die Zellmembran wird in Schwerelosigkeit flüssiger, in erhöhter Schwerkraft fester. Wurden diese Versuche zuerst nur an künstlich erzeugten Vesikeln durchgeführt, so bestätigten sich die Ergebnisse auch an Untersuchungen lebender Zellen.

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Dies wirft eine Reihe von neuen Fragen auf, denn wenn die Zellmembran ihre angestammte Viskosität verändert, verändern sich dadurch auch die Aktivität aller assoziierter Membranproteine. Damit lässt sich beispielsweise die veränderte Aktivität der Ionenkanäle erklären. Ebenfalls von der Membranviskosität betroffen ist der Transport und Einbau von Substanzen in und durch die Zellmembran. Besonders interessant ist dies im Hinblick auf den Einbau von Medikamenten. Es stellt sich die Frage, ob Medikamente im All weiterhin so wirken wie auf der Erde. Erste Versuche hierzu laufen bereits und sollen an Bord einer weiteren ballistischen Rakete Aufschluss geben.

Je weiter die Reise ins All geht, desto größer werden auch die Fragestellungen. In Anbetracht der geplanten Marsmission und möglicher weiterer Missionen stellt sich zudem die Frage, wie sich beispielsweise das menschliche Nervensystem in 0 g entwickeln würde.

Vorbereitungen für Experimente auf der ISS

Mithilfe der im Rahmen der beschriebenen Experimente verwendeten Zelllinie (s. LP-Tipp-Kasten) lässt sich die Frage vielleicht bald beantworten. Die Eigenschaften der Zelllinie SH-SY5Y erlauben es, die Zellen mittels Retinsäure (einem Derivat des Vitamin A) zu nervenähnlichen Zellen zu redifferenzieren. Aktuell laufen somit Vorbereitungen für einen Transport der Zellen auf die ISS, wo sie sich innerhalb von 14 Tagen redifferenzieren sollen. Die Planung und Umsetzung für dieses Projekt läuft bereits seit mehreren Jahren. Für die Zellen mussten Mini-Brutschränke entwickelt und gebaut werden, welche nicht nur ein Austreten der Flüssigkeiten im All verhindern, sondern für eine konstante Temperatur und den gesicherten Wechsel von Nähr- und Fixationsmedien sorgen.

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LP-Tipp – zur Zelllinie SH-SY5Y

SH-SY5Y ist eine Zelllinie menschlichen Ursprungs, welche aus der Linie SK-N-SH kloniert wurde. Diese wiederum entstammt der Knochenmarksbiopsie von einem vierjährigen Mädchen, welches ein Neuroblastom hatte. Durch Behandlung mit verschiedenen Zusätzen (u.a. Retinsäure) können die Zellen zu neuronenähnlichen Zellen redifferenziert werden. Sie sind ein gängiges Forschungsmodell z.B. in der Parkinson-Forschung.

In Kooperation mit dem DLR und Airbus:DS wurden Inkubatoren in der Größe einer Zigarettenschachtel gebaut (Neurobox), komplett mit zwei unabhängigen Tankkammern und einem Pump- und Umwälzsystem, welches im All die Zugabe von Retinsäure gewährleistet und die Zellen nach Abschluss der Wachstumszeit fixiert. Diese chemische Fixation ermöglicht den gefahrlosen Rücktransport der Probenbehälter auf die Erde, ohne dass die Zellen sich weiter verändern. Zurück im heimischen Labor sollen die Zellen dann mittels unterschiedlicher Färbetechniken mikroskopisch untersucht werden. Hierbei spielt nicht nur die Morphologie eine große Rolle, sondern auch der Aufbau und das Verteilungsmuster der verschiedenen Komponenten des Zytoskeletts sowie verschiedener Membranbestandteile.

Wichtigste Gemeinsamkeit all dieser Untersuchungen ist die Grundlagenforschung. Es geht darum, prinzipiell zu verstehen, wie neuronale Zellen funktionieren. Wie reagieren sie auf ihre Umwelt und wie erkennen sie Veränderungen derselben? Gibt es Adaptationsmechanismen und wenn ja, welche? Die Klärung dieser Fragen soll nicht nur helfen, künftige Weltraummissionen vorzubereiten, sondern auch auf der Erde ein besseres Verständnis für grundlegende Prozesse in und von Zellen zu schaffen.

* Dr. F. Kohn, PD Dr. C. Koch: Universität Hohenheim, Institut für Physiologie, Abt. Membranphysiologie, 70593 Stuttgart

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