Geringe Schwerkraft in der Raumfahrt schwächt und stört den normalen Rhythmus der Herzmuskelzellen

Wissenschaftler der Johns Hopkins Medicine, die 48 biologisch hergestellte Herzgewebeproben von Menschen für 30 Tage auf der Internationalen Raumstation raumtransportierten, berichten von Beweisen, dass die geringe Schwerkraft im Weltraum das Gewebe geschwächt und seinen normalen Herzschlag gestört hat, verglichen mit erdgebundenen Proben aus derselben Quelle.

Die Wissenschaftler sagten, dass es dem Herzgewebe „im Weltraum wirklich nicht gut geht“ und dass das Gewebe an Bord der Raumstation mit der Zeit nur noch halb so stark schlage wie Gewebe aus derselben Quelle auf der Erde.

Die Erkenntnisse, so heißt es, erweitern das Wissen der Wissenschaftler über die möglichen Auswirkungen der geringen Schwerkraft auf das Überleben und die Gesundheit von Astronauten während langer Weltraummissionen. Zudem könnten sie als Modelle für die Erforschung der Alterung des Herzmuskels und für entsprechende Therapiemöglichkeiten auf der Erde dienen.

Ein Bericht über die Analyse der Gewebeproben durch die Wissenschaftler ist veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Frühere Studien zeigten, dass manche Astronauten mit altersbedingten Beschwerden aus dem Weltraum zur Erde zurückkehren, darunter eine verminderte Herzmuskelfunktion und Arrhythmien (unregelmäßiger Herzschlag), und dass einige – aber nicht alle – Auswirkungen nach ihrer Rückkehr mit der Zeit abklingen.

Doch Wissenschaftler haben nach Möglichkeiten gesucht, solche Auswirkungen auf zellulärer und molekularer Ebene zu untersuchen, um Möglichkeiten zu finden, die Sicherheit der Astronauten während langer Raumflüge zu gewährleisten, sagt Deok-Ho Kim, Ph.D., Professor für Biomedizintechnik und Medizin an der medizinischen Fakultät der Johns Hopkins University. Kim leitete das Projekt zum Versand von Herzgewebe zur Raumstation.

Um die Herznutzlast zu erzeugen, ließ der Wissenschaftler Dr. Jonathan Tsui menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) zu Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) heranwachsen. Tsui, der Doktorand in Kims Labor an der University of Washington war, begleitete Kim als Postdoktorand, als dieser 2019 an die Johns Hopkins University wechselte. Sie setzten ihre Weltraumbiologieforschung an der Johns Hopkins fort.

Tsui platzierte die Gewebe dann in einem biotechnologisch hergestellten, miniaturisierten Gewebechip, der die Gewebe zwischen zwei Pfosten auffädelt, um Daten darüber zu sammeln, wie die Gewebe schlagen (kontrahieren). Das dreidimensionale Gehäuse der Zellen wurde so konzipiert, dass es die Umgebung eines erwachsenen menschlichen Herzens in einer Kammer nachahmt, die halb so groß ist wie ein Mobiltelefon.

Um die Gewebe an Bord der SpaceX CRS-20-Mission zu bringen, die im März 2020 mit Ziel Raumstation startete, musste Tsui die Gewebekammern in einem Flugzeug nach Florida transportieren und dort einen Monat lang im Kennedy Space Center weiterpflegen. Tsui ist jetzt Wissenschaftler bei Tenaya Therapeutics, einem Unternehmen, das sich auf die Prävention und Behandlung von Herzkrankheiten spezialisiert hat.

Sobald die Gewebe auf der Raumstation waren, erhielten die Wissenschaftler alle 30 Minuten 10 Sekunden lang Echtzeitdaten über die Kontraktionsstärke der Zellen, die sogenannten Zuckungskräfte, und über alle unregelmäßigen Schlagmuster. Die Astronautin Dr. Jessica Meir, MS, wechselte einmal pro Woche die flüssigen Nährstoffe, die die Gewebe umgaben, und konservierte die Gewebe in bestimmten Abständen für spätere Genauslesungen und Bildanalysen.

Das Forschungsteam bewahrte eine Reihe von Herzgeweben, die auf der Erde auf die gleiche Weise entwickelt wurden, in einer Kammer des gleichen Typs auf, um sie mit den Geweben im Weltraum vergleichen zu können.

Als die Gewebekammern zur Erde zurückkehrten, fuhr Tsui mit der Pflege der Gewebe fort und sammelte weiterhin Daten davon.

„Um die Lebensfähigkeit dieser Gewebe im Weltraum sicherzustellen, wurde eine unglaubliche Menge hochmoderner Technologie aus den Bereichen Stammzellen- und Gewebetechnik, Biosensorik und Bioelektronik sowie Mikrofabrikation eingesetzt“, sagt Kim, dessen Team den Gewebechip für dieses und nachfolgende Projekte entwickelte.

Devin Mair, Ph.D., ein ehemaliger Doktorand in Kims Labor und jetzt Postdoktorand bei Johns Hopkins, analysierte dann die Fähigkeit des Gewebes zur Kontraktion.

Zusätzlich zum Kraftverlust entwickelte das Herzmuskelgewebe im Weltraum unregelmäßigen Herzschlag (Arrhythmien) – Störungen, die beim Menschen Herzversagen verursachen können. Normalerweise beträgt die Zeitspanne zwischen einem Herzschlag und dem nächsten etwa eine Sekunde. Dieser Wert wurde in den Geweben an Bord der Raumstation fast fünfmal länger als auf der Erde, obwohl die Zeitspanne zwischen den Herzschlägen nach der Rückkehr der Gewebe zur Erde wieder fast den Normalwert erreichte.

Die Wissenschaftler stellten außerdem fest, dass in den in den Weltraum geflogenen Geweben die Sarkomere – die Proteinbündel in den Muskelzellen, die ihnen bei der Kontraktion helfen – kürzer und ungeordneter wurden, ein Kennzeichen menschlicher Herzerkrankungen.

Darüber hinaus wurden die Energie produzierenden Mitochondrien in den raumgebundenen Zellen größer und runder und verloren die charakteristischen Falten, die den Zellen bei der Nutzung und Produktion von Energie helfen.

Abschließend untersuchten Mair, Eun Hyun Ahn, Ph.D. – ein Assistenzprofessor für Biomedizintechnik – und Zhipeng Dong, ein Doktorand an der Johns Hopkins University, die Genaktivität der Gewebe im Weltraum und auf der Erde. Die Gewebe in der Raumstation zeigten eine erhöhte Genproduktion, die mit Entzündungen und oxidativen Schäden in Zusammenhang steht, die ebenfalls Kennzeichen von Herzerkrankungen sind.

„Viele dieser Marker für oxidative Schäden und Entzündungen lassen sich bei Untersuchungen der Astronauten nach dem Flug immer wieder nachweisen“, sagt Mair.

Kims Labor schickte 2023 eine zweite Ladung 3D-konstruierter Herzgewebe zur Raumstation, um nach Medikamenten zu suchen, die die Zellen vor den Auswirkungen der geringen Schwerkraft schützen könnten. Diese Studie ist noch nicht abgeschlossen, und laut den Wissenschaftlern könnten diese Medikamente Menschen helfen, ihre Herzfunktion im Alter aufrechtzuerhalten.

Die Wissenschaftler arbeiten weiter an der Verbesserung ihres „Gewebe auf einem Chip“-Systems und untersuchen im NASA Space Radiation Laboratory die Auswirkungen von Strahlung auf Herzgewebe. Die Raumstation befindet sich in einer niedrigen Erdumlaufbahn, wo das Magnetfeld des Planeten die Insassen vor den meisten Auswirkungen der Weltraumstrahlung schützt.