Eine Studie veröffentlicht in npj Mikrogravitationstellt fest, dass eine künstliche Verbindung, die Mäusen an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) verabreicht wurde, den Knochenverlust, der mit der Zeit im Weltraum einhergeht, weitgehend verhinderte.
Die Studie, die von einem transdisziplinären Team von Professoren der University of California in Los Angeles (UCLA) und des Forsyth Institute in Cambridge, Massachusetts, geleitet wurde, zeigt eine vielversprechende Therapie zur Linderung von extremem Knochenschwund durch Langzeitraumreisen sowie Muskel-Skelett-Degeneration auf auf der Erde.
Der durch Mikrogravitation verursachte Knochenverlust ist seit langem ein kritisches Problem bei langfristigen Weltraummissionen. Eine verringerte mechanische Belastung aufgrund der Schwerelosigkeit führt zu einem zwölfmal höheren Knochenschwund als auf der Erde. Bei Astronauten im erdnahen Orbit kann es zu einem Knochenverlust von bis zu 1 % pro Monat kommen, was die Gesundheit des Astronautenskeletts gefährdet und das Risiko von Knochenbrüchen während längerer Raumflüge und später im Leben erhöht.
Die derzeitige Strategie zur Eindämmung des Knochenschwunds basiert auf durch körperliche Betätigung verursachter mechanischer Belastung, um die Knochenbildung zu fördern. Sie ist jedoch bei weitem nicht perfekt für Besatzungsmitglieder, die bis zu sechs Monate in der Schwerelosigkeit verbringen.
Sportliche Betätigung verhindert nicht immer Knochenschwund, nimmt wertvolle Zeit in Anspruch und kann bei bestimmten Arten von Verletzungen kontraindiziert sein. Die von Dr. Chia Soo, stellvertretender Forschungsleiterin in der Abteilung für Plastische und Rekonstruktive Chirurgie und Professorin für Chirurgie und Orthopädische Chirurgie an der David Geffen School of Medicine der UCLA, geleitete Studie untersuchte, ob eine systemische Abgabe des NELL-ähnlichen Moleküls 1 erfolgt (NELL-1) kann den durch Mikrogravitation verursachten Knochenverlust reduzieren.
NELL-1 wurde von Kang Ting, DMD, DMSc am Forsyth Institute entdeckt und ist für die Knochenentwicklung und den Erhalt der Knochendichte von entscheidender Bedeutung. Professor Ting leitete außerdem zahlreiche Studien, um zu zeigen, dass die lokale Verabreichung von NELL-1 Muskel-Skelett-Gewebe wie Knochen und Knorpel regenerieren kann.
Die systemische Verabreichung von NELL-1 an Bord der ISS erfordert, dass das Team die Anzahl der Injektionen minimiert. Ben Wu, DDS, Ph.D. und Yulong Zhang, Ph.D. am Forsyth Institute steigerte das therapeutische Potenzial von NELL-1, indem es die Halbwertszeit des Moleküls von 5,5 Stunden auf 15,5 Stunden verlängerte, ohne die Bioaktivität zu verlieren, und biokonjugierte ein inertes Bisphosphonat (BP), um ein „intelligentes“ BP-NELL-PEG-Molekül zu schaffen, das spezifischer ist zielt auf Knochengewebe ab, ohne die üblichen schädlichen Auswirkungen von BP.
Das modifizierte Molekül wurde dann von den Teams von Soo und Ting ausführlich untersucht, um die Wirksamkeit und Sicherheit von BP-NELL-PEG auf der Erde zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass BP-NELL-PEG eine überlegene Spezifität für Knochengewebe aufwies, ohne erkennbare Nebenwirkungen zu verursachen.
Um die praktische Anwendbarkeit von BP-NELL-PEG unter realen Weltraumbedingungen zu ermitteln, arbeiteten die Forscher mit dem Center for the Advancement of Science in Space (CASIS) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA) Ames zusammen, um sich umfassend auf das SpaceX CRS-11 vorzubereiten Mission zur ISS, wo die Astronauten Peggy Whitson, Ph.D. und Jack D. Fisher, MS führten die Studien durch.
Die Hälfte der ISS-Mäuse wurde über einen längeren Zeitraum von neun Wochen der Mikrogravitation („TERM-Flug“) ausgesetzt, um die Herausforderungen einer Langzeit-Raumfahrt zu simulieren, während die übrigen Mäuse 4,5 Wochen nach dem Start zur Erde zurückgeflogen wurden die erste lebende Tierrückführung („LAR Flight“) von Mäusen in der Geschichte der USA.
Sowohl die TERM- als auch die LAR-Flight-Gruppe wurden entweder mit BP-NELL-PEG oder einer phosphatgepufferten Kochsalzlösung (PBS) als Kontrolle behandelt. Eine entsprechende Kohorte von Mäusen blieb im Kennedy Space Center und wurde in ähnlicher Weise mit BP-NELL-PEG oder PBS behandelt, um als Kontrollen für die normale Erdschwerkraft („Boden“) zu dienen.
Sowohl Flight- als auch Ground-Mäuse, die mit BP-NELL-PEG behandelt wurden, zeigten einen signifikanten Anstieg der Knochenbildung. Die behandelten Mäuse im Weltraum und auf der Erde zeigten keine offensichtlichen gesundheitsschädlichen Auswirkungen.
„Unsere Ergebnisse sind vielversprechend für die Zukunft der Weltraumforschung, insbesondere für Missionen, die längere Aufenthalte in der Schwerelosigkeit erfordern“, sagte die Hauptautorin Chia Soo. „Wenn Humanstudien dies bestätigen, könnte BP-NELL-PEG ein vielversprechendes Instrument zur Bekämpfung von Knochenschwund und Muskel-Skelett-Verfall sein, insbesondere wenn herkömmliches Krafttraining aufgrund von Verletzungen oder anderen behindernden Faktoren nicht durchführbar ist“, sagte Co-Co-Studienleiter , Kang Ting.
„Diese biotechnologische Strategie kann auch auf der Erde wichtige Vorteile haben und eine potenzielle Therapie für Patienten bieten, die an extremer Osteoporose und anderen Knochenerkrankungen leiden“, sagte Ben Wu, Co-Co-Studienleiter.
„Als nächsten Schritt überwacht der UCLA-Projektwissenschaftler Pin Ha, MD, DDS, MS, die Analyse der Daten zur Rückkehr lebender Tiere. Wir hoffen, dass dies einige Erkenntnisse darüber liefern wird, wie wir zukünftigen Astronauten helfen können, sich von länger dauernden Weltraummissionen zu erholen.“ sagte Chia Soo.
Mehr Informationen:
Pin Ha et al., Bisphosphonat-Konjugation verbessert die Knochenspezifität der NELL-1-basierten systemischen Therapie für durch Raumfahrt verursachten Knochenverlust bei Mäusen, npj Mikrogravitation (2023). DOI: 10.1038/s41526-023-00319-7