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 im Vergleich zu erdgebundenen Proben aus derselben Quelle gestört hat.
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 Gewebe durch die Wissenschaftler wird in der Woche vom 23. September in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht .
Frühere Studien haben gezeigt, dass manche Astronauten mit altersbedingten Beschwerden aus dem Weltraum zur Erde zurückkehren, darunter eine verringerte Herzmuskelfunktion und Arrhythmien (unregelmäßiger Herzschlag), und dass einige, aber nicht alle dieser Auswirkungen mit der Zeit nach ihrer Rückkehr verschwinden.
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 sie einen Monat lang im Kennedy Space Center weiter pflegen. Tsui ist jetzt Wissenschaftler bei Tenaya Therapeutics, einem Unternehmen, das sich auf die Prävention und Behandlung von Herzkrankheiten konzentriert.
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. Astronautin Jessica Meir, Ph.D., 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 fast wieder 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.
DOI: 10.1073/pnas.2404644121
