Felicitas Rapp betrachtet einen Objektträger mit gefärbtem Hirngewebe
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Pillen für das Space_brain

18/02/2019 832 views 27 likes
ESA / Space in Member States / Germany

Das gesundheitliche Risiko durch kosmische Strahlen ist ein limitierender Faktor für astronautische Missionen zum Mond oder Mars. Wie Strahlung auf das Gehirn wirkt und ob Cannabis ähnliche Stoffe Astronauten vor Schäden schützen können, untersucht das Team um die Strahlenbiologin Felicitas Rapp in einem von ESA und DLR geförderten Forschungsprojekt am Darmstädter GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.

Neue Wege in der Strahlentherapie

Erdatmosphäre und Magnetfeld schirmen die Menschen gegen Strahlung aus dem Weltraum ab. Außerhalb dieses Schutzschildes werden die schnellen Teilchen, die von der Sonne und fernen Galaxien oder bei Sternenexplosionen ins All geschleudert werden, zur Bedrohung. Wie genau kosmische Strahlen auf das Gehirn von Astronauten wirken, untersucht die Biotechnologin Felicitas Rapp bereits seit Jahren. „Strahlenbiologie hat mich schon während des Studiums fasziniert“, erzählt die 37-Jährige, die an der Hochschule Darmstadt studiert hat. Schon zu Beginn ihrer Promotion arbeitete sie als Graduiertenschülerin an einem Forschungsprojekt von GSI und ESA mit, das sich mit gesundheitlichen Risiken längerer Weltraumaufenthalte befasste. Bereits 2009 ging es darum, wie Strahlungen im All bestimmte Hirnregionen beeinflussen, etwa den Hippocampus, wo Gedächtnis oder auch räumliche Orientierung angesiedelt sind. Damals untersuchte Rapp hippocampale Slicekulturen, die sie mit Photonen und Schwerionen bestrahlte und hauptsächlich die Auswirkungen auf Neuronen und neuronale Stammzellen untersuchte. Organotypische Slicekulturen sind dünne Schichten aus Gewebe zumeist von Mäusen, bei dem im Gegensatz zu klassischen Zellkulturen alle natürlich vorkommenden Zellen des Gewebes im Verband erhalten bleiben. Ein Thema und eine Methodik, die nun auch Basis für das erneute gemeinsame Forschungsprojekt ist, das das Team der GSI-Wissenschaftlerin zusammen mit ESA und dem Deutschen Institut für Luft- und Raumfahrt (DLR) vorantreibt.

IBER- Experimente

Das aktuelle Projekt läuft seit 2018 und zählt zu den IBER-Experimenten (Investigating biological effects of space radiation), die Teil eines regelmäßig initiierten Forschungsaufrufes der Europäischen Weltraumorganisation sind. Mit diesem Programm unterstützt die ESA sogenannte „Topical Teams“, die sich aus Experten europäischer Universitäten, Forschungseinrichtungen oder der Industrie zusammensetzen und mit relevanten Raumfahrtthemen befassen. Die IBER-Projekte erforschen seit über einem Jahrzehnt speziell die Gefahren und Schutzmöglichkeiten vor kosmischer Strahlung. Beim aktuellen Ranking der internationalen IBER-Projekte landete das Kooperationsprojekt von Felicitas Rapp sogar auf Platz eins.

Space_brain

Schwerionensynchrotron SIS18 – Außenansicht
Schwerionensynchrotron SIS18 – Außenansicht

„Space_brain“ kürzt die Projektleiterin das Forschungsvorhaben ab, das offiziell den Titel  „Wirkung von (Weltraum-)Strahlung auf Mikroglia und Blutgefäße in organotypischen Hippocampus-Slicekulturen“ trägt. Felicitas Rapps Team besteht aus der Biologin Dr. Sonja Kallendrusch und Prof. Ingo Bechmann, beides Wissenschaftler am Anatomischen Institut der Universität Leipzig, sowie der Doktorandin Bahar Djouiai, die ihren Master in Biologie an der TU Darmstadt gemacht hat. Zunächst ein Jahr lang, bis Januar 2020, trägt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Personal- und Sachmittelkosten für das Projekt.

Betreut wird das Vorhaben beim DLR von Dr. Anna Catharina Carstens. „Das Projekt fügt sich hervorragend in unser Förderprogramm ein. In der Raumfahrt werden mittel- und langfristig immer mehr Aktivitäten im Bereich der Exploration stattfinden. Ob ein Mensch trotz der hohen Strahlungsbelastung beispielsweise während einer Marsmission gesund bleiben kann, wird ein entscheidender Faktor für den Erfolg sein“, betont sie.

Wirkung auf Entzündungszellen im Gehirn

Das Team untersucht in den folgenden Monaten, welche Entzündungsreaktionen Strahlen in Gehirngewebe auslösen und vor allem, wie diese gelindert werden können, um Spätfolgen bei Astronauten zu verhindern. Der Fokus liegt dabei auf den Mikroglia, Entzündungszellen im Gehirn, die Felicitas Rapp als „die Geschwister der Immunzellen im Körper“ beschreibt. Normalerweise ist der Pool der Mikroglia im Hirn vom Körper zum Schutz durch die Blut-Hirnschranke abgegrenzt. Die Mikroglia sind mit Fortsätzen ausgestattet und scannen im Ruhezustand ihre Umgebung. Bei Gefahr werden sie aktiviert, wandern zu den geschädigten Zellen, docken dort an und entsorgen sie. „Ist der Reiz zu stark, können sie im schlimmsten Fall überreagieren und sogar die für das Gehirn wichtigen Neuronen angreifen“, erklärt die GSI-Forscherin. Das Team will analysieren, ob beziehungsweise ab welcher Dosis durch Strahlung Schäden an den Blutgefäßen entstehen oder gar die Barrierefunktion der Blut-Hirn-Schranke selbst Schaden nehmen kann. 

Können Cannabis ähnliche Stoffe helfen?

An der Sterilwerkbank pepittiert Felicitas Rapp ein Medium für Zellkulturen
An der Sterilwerkbank pepittiert Felicitas Rapp ein Medium für Zellkulturen

Gezielt wollen sie testen, welche Stoffe diese entzündliche Reaktion hemmen können. Dabei ist die Projektpartnerin Dr. Sonja Kallendrusch während ihrer Promotion auf Endocannabinoide gestoßen, Cannabis ähnliche Stoffe, die vom Körper selbst produziert werden. Von ihnen ist bekannt, dass sie spezifisch an die Rezeptoren der Mikroglia binden und so Entzündungen lindern könnten. „Es gibt bereits erfolgreiche Versuche, jedoch bisher nur bei toxischen Reaktionen, nicht bei Strahlung“, so die Projektleiterin. Cannabinoiden wie dem THC hängt bisher das Stigma der Droge an, da sie über die Aktivierung verschiedener Rezeptor-Typen psychoaktiv wirken. Die Wissenschaftler wollen sich jedoch die positive Wirkung der spezifischen Endocannabinoid-Rezeptoren ohne den berauschenden Nebeneffekt zunutze machen. Wäre das von Erfolg gekrönt, könnten Endocannabinoide möglicherweise zukünftig auch zur Therapie anderer entzündlicher Krankheiten wie Atherosklerose oder in der Alzheimerschen Krankheit eingesetzt werden. Es gibt einen limitierten Pool an Mikroglia im Hirn, der jedoch Alterung und Dezimierung ausgesetzt ist. „Ein Verzögern dieser Alterung und die Regeneration der Mikroglia könnte unter Umständen auch die Entstehung von Alzheimer heraus zögern oder abschwächen“, so Felicitas Rapp. 

Prävention für Astronauten

Thomas Reiter beim Außenbordeinsatz, Astrolab 2006
Thomas Reiter beim Außenbordeinsatz, Astrolab 2006

Langfristiges Ziel des Projektes ist es, Präparate zu entwickeln, die Astronauten als Prävention mit ins All nehmen könnten. „Etwa wenn Sonnenstürme oder Strahlungshöhepunkte aufgetreten sind“, so Rapp. Im April werden die Gewebeslice-Proben in einem ersten „Strahlzeitblock“ von fünf Tagen im GSI-Zentrum mit Eisenionen bestrahlt.  Im April werden die Gewebeslice-Proben in einem ersten „Strahlzeitblock“ von fünf Tagen im GSI-Zentrum, am Ringbeschleuniger „SIS18“ und dem dazugehörigen Bio-Experiment-Cave, bestrahlt. Geplant ist zunächst ein Strahl mit Eisen-Ionen, eventuell später auch Sauerstoff- oder Kohlenstoff-Ionen. Felicitas Rapps Traum wäre es, wenn die Proben mit auf die Internationale Raumstation ISS fliegen würden. „Das wären noch authentischere Versuchsbedingungen für Space_brain“, sagt sie.

Der Zugang zu Strahlenexpositionsplattformen auf der ISS ist jedoch stark limitiert, weiß DLR-Expertin Dr. Anna Catharina Carstens. „Deswegen sind bodengebundene Analogstudien wie sie uns im Rahmen von IBER an der GSI ermöglicht werden, besonders wichtig. Ein zusätzlicher Pluspunkt ist, dass die Strahlung im Gegensatz zur echten Weltraumstrahlung qualitativ und quantitativ genau definiert ist und ständig reproduziert werden kann – das ermöglicht eine statistisch zuverlässige Auswertung der beobachteten Effekte. Die Versuche des Teams sind so konzipiert, dass sie für sich stehen und auch ohne „echte“ Weltraumstrahlung spannende Ergebnisse versprechen, betont sie.

Kooperationsvertrag mit FAIR

Ionenquellen - Startpunkt der Beschleunigeranlage
Ionenquellen - Startpunkt der Beschleunigeranlage

Um die Auswirkungen kosmischer Strahlung auf Mensch und auch Material noch intensiver zu erforschen, hat die ESA eine Kooperationsvereinbarung mit der GSI und der Geschäftsführung für den im Bau befindlichen neuen Ringbeschleuniger FAIR vereinbart. ESA-Generaldirektor Johann-Dietrich Wörner und die FAIR-Geschäftsführung unterzeichneten den Vertrag, der neue Möglichkeiten der Forschung in diesem Bereich eröffnen soll. FAIR, so Wörner, „reproduziert eine kosmische Strahlenumgebung, die uns in vielen Bereichen - von der Materialforschung für Satellitenmissionen bis zur Radiobiologie - unterstützen kann“. Die Erforschung der Auswirkungen kosmischer Strahlung auf den menschlichen Organismus sei „eine wichtige Vorbereitung für langfristig geplante astronautische Missionen zum Mond und darüber hinaus“, sagt Johann-Dietrich Wörner.

 

Vorteile auch für Satellitenmissionen

Die neue Kooperation baut auf Vorhaben wie dem IBER-Projekt auf, so der Generaldirektor. Interessant ist die Zusammenarbeit jedoch auch für das ESA-Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt, wo die verschiedenen Missionen der ESA gesteuert und Flugbahnen berechnet werden. Detaillierte Erkenntnisse über Strahlenquellen und ihre Wirkung seien hilfreich nicht nur für die Materialforschung zum Bau von Satelliten, sondern auch um Flugvarianten zu wählen, bei denen die Gesamtstrahlenbelastung gering sei, betont der ESA-Generaldirektor.

 

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