Kultivierung von Stammzellen für die Erforschung des tiefen Weltraums

Die Magnetosphäre der Erde schützt uns vor den schädlichsten kosmischen Strahlen, die unseren Planeten treffen, aber jenseits dieses natürlichen Schildes sind die Astronauten einer Strahlung ausgesetzt, die hundertmal stärker ist als auf Höhe des Meeresspiegels.

Die Risiken dieser Strahlung stehen im Mittelpunkt der ESA-Forschungsaktivitäten. Letztes Jahr fand die erste Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung statt, um Studierende auszubilden und die Entwicklung neuartiger Konzepte zur Erforschung der Auswirkungen kosmischer Strahlung auf den Menschen anzuregen.

Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhielten in der Sommerschule eine Einführung in die Gebiete Strahlung und Biologie und entwickeln biologische Experimente, die in Teilchenbeschleunigern bei verschiedenen ESA-Partnern in ganz Europa durchgeführt werden können. Die besten Vorschläge wurden ausgewählt, um ihre Experimente dann tatsächlich im Beschleuniger dem Beschuss von Atomteilchen aussetzen.

Stammzellen bestrahlen

Im Jahr 2019 ging der erste Preis der Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung an den in Deutschland lebenden Wissenschaftler Emiliano Bolesani von der Medizinischen Hochschule Hannover.

Er möchte herausfinden, wie Herzzellen pathophysiologisch reagieren, wenn sie kosmischer Strahlung ausgesetzt sind. Dafür schlug Bolesani vor, Stammzellen für die Kultivierung von Herzgewebe-Strukturen zu nutzen. Diese sollen auf der Empfängerseite des Teilchenbeschleunigers im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt platziert werden. Die Innovation dieses Ansatzes besteht in der Verwendung von Herz-Mikrogeweben, um die Zellzusammensetzung des menschlichen Herzens nachzuahmen.

Bolesani erforscht, welche Zellarten – Kardiomyozyten, Endothelzellen, glatte Muskulatur oder Fibroblasten – am anfälligsten für durch Strahlung hervorgerufene Schädigungen sind und will herausfinden, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Die dabei generierten Daten tragen zum Aufbau eines analytischen Modells bei, mit dem vorhergesagt werden kann, wie Zellen miteinander interagieren, wenn sie Strahlung ausgesetzt sind.

„Ich hoffe, dieses Modell zukünftig auch für das Screening von Molekülen, die Zellen vor durch Strahlung hervorgerufene Schäden schützen können, zu nutzen“, sagt Bolesani.

„Es ist großartig, dass wir diese exklusive Einrichtung für unsere Forschung verwenden dürfen“, so Bolesani weiter. „Noch mehr freuen wir uns allerdings darüber, dass diese Forschung direkte Auswirkungen auf die Begrenzung unerwünschter Nebenwirkungen auf das Herz-Kreislauf-System nach einer Strahlentherapie haben könnte. Das Vorgehen ließe sich zukünftig auch auf andere Organe ausweiten und so wichtige Erkenntnisse für den Gesundheitsschutz von Astronauten bei der Erkundung des tiefen Weltraums liefern.“

Astronautenzellen sind als nächstes im Visier

Das Wissenschaftlerteam plant zudem, Astronauen vor und nach einem Raumflug Stammzellen zu entnehmen. Gewebe und Organe könnten dann in vitro gezüchtet und im Strahl eines Teilchenbeschleunigers platziert werden, um zu sehen, wie sie auf diese simulierte kosmische Strahlung reagieren.

So kann diese Studie Aufschluss darüber geben, welche zellulären und molekularen Mechanismen der individuellen Reaktion auf kosmische Strahlung zugrunde liegen.

 „Jeder Mensch ist unterschiedlich anfällig für Strahlung“, erklärt Bolesani. „Dies stellt für die Strahlentherapie ein Problem dar, da die Effizienz der Behandlungen auf der Erde davon beeinflusst wird, und ebenso hat es Auswirkungen auf die Astronauten, die der Weltraumstrahlung ausgesetzt sind.

Eine weitere Fragestellung für diese potentiellen Folgestudie ist, ob sich die Zellen während eines Raumflugs anpassen und diese Konfiguration beibehalten, sobald die Astronauten wieder auf der Erde sind – gibt es epigenetische und physiologische Veränderungen von längerer Dauer? Mit anderen Worten: Hinterlässt ein Raumflug einen dauerhaften Fußabdruck in der menschlichen DNA?“

Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung

Interessieren Sie sich für die Erforschung der kosmischen Strahlung? Dann bewerben Sie sich für die nächste „ESA-FAIR Sommerschule zur kosmischen Strahlung“, die vom 13. bis 29. September 2020 in Darmstadt stattfindet. Die Veranstaltung umfasst Vorträge und Besuche des Kontrollzentrums (ESOC) der ESA sowie des GSI-Teilchenbeschleunigers.

Am Ende des Kurses reichen die Studenten Forschungsvorhaben ein, um sich für mögliche Experimente zu bewerben. Die besten Vorschläge könnten in das ESA-Strahlenforschungsprogramm aufgenommen werden. Bewerbungen für die Sommerschule sind bis zum 15. April 2020 möglich.