Zwei Experimente zur Erforschung der Knochendichte, die von Ingenieuren der University of Michigan entworfen wurden, haben die Startrampe von Wallops Island, Virginia, an Bord einer Antares-Rakete der Northrop Grumman Corp. zur Internationalen Raumstation (ISS) verlassen.
Allen Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UM, und Mitglieder seines Forschungsteams erläutern, wie Experimente im Weltraum Licht auf Osteoporose werfen können, eine Erkrankung, von der Hunderte Millionen Menschen auf der ganzen Welt betroffen sind, und wie die Sicherheit von Astronauten erhöht werden kann.
Welcher Zusammenhang zwischen Knochendichte, Osteoporose und Schwerkraft macht diese weltraumgestützte Forschung für normale Menschen relevant?
Allen Liu: Osteoporose führt dazu, dass die Knochen mit zunehmendem Alter schwach und brüchig werden, was zu Knochenbrüchen selbst bei nur leichter Belastung und Stürzen führt. In den USA gibt es schätzungsweise 10 Millionen Fälle, weitere 43 Millionen zeigen Anzeichen einer niedrigen Knochendichte.
Eine schwerelose Umgebung oder Mikrogravitation kann physiologische Veränderungen in Knochen verursachen und bietet eine einzigartige Forschungsumgebung ohne die typischen mechanischen Belastungen der Schwerkraft. Es verändert auch schnell, wie Zellen wachsen und funktionieren, ohne den Einsatz von Medikamenten oder Gentechnik.
Die Steifheit einer Zelle kann uns ihr biologisches Alter verraten und vorhersagen, wie ihre Funktion oder ihre Anfälligkeit für chronische Krankheiten im Laufe der Zeit nachlassen wird. Wir testen die Hypothese, dass, wenn Zellen nicht gegen die Schwerkraft zurückdrängen, diese Verringerung der Steifheit sie anfällig für die gleiche Art von Veränderungen macht, die wir bei Osteoporose sehen. Aber wir glauben auch, dass wir diese gesundheitlichen Auswirkungen verhindern können, indem wir Zellen mechanisch auf eine Weise komprimieren, die die Schwerkraft nachahmt.
Wie werden Sie die Zellsteifigkeit im Weltraum betrachten? Was kann Ihnen das über Astronauten sagen?
Nadab Wubshet, Doktorand im Maschinenbau: Wir vermuten, dass die Abwesenheit der Schwerkraft zu einer Erweichung der Zellen führen kann, was hinter dem Knochenverlust stehen könnte, der bei Astronauten nach langen Aufenthalten auf der ISS beobachtet wurde. Astronauten machen an Bord Widerstandsübungen, um den Kompressionseffekt zu erzeugen, der ohne Schwerkraft fehlt.
Um die Zellsteifigkeit auf der ISS zu testen, verwenden wir ein automatisiertes mikrofluidisches Gerät, das Flüssigkeiten verwendet, um einzelne Zellen einzufangen und den Druck auf jede Zelle langsam zu erhöhen, um eine Verformung herbeizuführen. Fluoreszierende Markierungen ermöglichen es uns, seine Form bei jedem Druckniveau zu sehen. Unser Gerät ist auch in ein System integriert, das Schnappschüsse und Videos aufnimmt, mit denen wir Daten sammeln können, um die Steifigkeit der Zelle zu messen.
Wie könnte dies der menschlichen Gesundheit zugute kommen?
Wubshet: Wenn sich unsere Hypothese als richtig erweist, werden unsere Ergebnisse einen großartigen Einblick darüber geben, wie Änderungen physikalischer Kräfte wie der Schwerkraft die mechanischen Eigenschaften von Knochenzellen – und die Knochenbildung – beeinflussen. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen natürlicher Kräfte wie der Schwerkraft auf die Knochenbildung könnte Erkenntnisse über bessere Diagnosen und Behandlungen für Menschen liefern, die mit Knochenschwund zu tun haben.
Aber auch die Anwendungen im Weltraum sind wichtig, insbesondere angesichts des wachsenden Interesses an der Weltraumforschung, bei der sich Astronauten für längere Zeit in der Mikrogravitation befinden könnten. Wir hoffen, Lösungen zur Aufrechterhaltung der Knochendichte für diese Astronauten entwickeln zu können.
Im zweiten Experiment versuchen Sie, den Abbau von Knochenzellen zu reduzieren – was hoffen Sie zu lernen?
Grace Cai, Doktorandin in angewandter Physik: Die Zellen, die wir als „Knochenzellen“ bezeichnet haben, sind Osteoblasten, die Mineralien und Proteine ablagern, um Knochen aufzubauen, wann und wo sie am dringendsten benötigt werden. In unserer Studie untersuchen wir, wie sich die Mikrogravitation auf die Osteoblastenaktivität auswirkt.
Zellen in Mikrogravitation erfahren eine niedrige Zellspannung, und wir können die Zellspannung erhöhen, indem wir mechanische Kompression anwenden. Indem wir kugelförmige Klumpen menschlicher Osteoblastenzellen in die Schwerelosigkeit bringen und Kompression anwenden, können wir testen, ob dies die Entwicklung und Erhaltung von Knochenzellen fördert und gleichzeitig Knochenschwund verhindert.
Wie werden die Proben zur Erde zurückgebracht und wie sehen Sie den Nutzen ihrer Analyse für zukünftige Astronauten?
Cai: Während das erste Experiment auf der ISS durchgeführt wird, werden Proben für dieses zweite Experiment im Januar mit SpaceX CRS-26 zur Analyse zur Erde zurückgebracht. Unsere Ergebnisse hier sollten Aufschluss darüber geben, ob kompressive Raumanzüge und Kleidung Knochenschwund verhindern und die Knochengesundheit von Astronauten verbessern können, die Mikrogravitationsbedingungen ausgesetzt sind. Diese Arten von Technologien könnten dazu beitragen, Besatzungen zu schützen, die zur und von der ISS sowie zu anderen Zielen reisen.
Wir gehen davon aus, dass unsere Ergebnisse nicht nur Informationen für die Osteoporoseforschung auf der Erde liefern, sondern auch für andere altersbedingte Krankheiten und Krebsarten relevant sein werden. Auch die Zellmechanik und die Architekturen, die Zellen aufbauen, die für unsere eigene Studie von grundlegender Bedeutung sind, sind in diesen Bereichen von Bedeutung.
Was sind die interessantesten Dinge, die Sie als Maschinenbauingenieur bei der Vorbereitung von Weltraumexperimenten gelernt haben?
Liu: Eine Herausforderung bei der Arbeit in einer Mikrogravitationsumgebung besteht darin, dass alles schwerelos ist, sodass der Umgang mit Flüssigkeiten extrem herausfordernd wird. Alles muss geschlossen sein und unsere Zellen müssen in einem Beutel statt auf einer Petrischale aufbewahrt werden. Und weil der Platz auf der ISS knapp ist, wird jedes Experiment in einen kleinen CubeLab-Container verpackt, etwa 6,3 Zoll hoch, 8,2 Zoll lang und 12,3 Zoll breit.
Ich denke, als Forscher sind wir an Unsicherheiten gewöhnt, aber das ist etwas ganz anderes. Bei einem Experiment auf der Erde kann viel schief gehen, und es macht es noch schwieriger, das Experiment im Weltraum richtig hinzubekommen. Wir hoffen, dass die Experimente reibungslos verlaufen werden, und ich bin einfach nur froh, dass wir den Flug geschafft haben.