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Zellen im All

(10.4.17) Säugetierzellen sind robuster als lange gedacht: Wie Züricher Biologen nun herausfanden, passen sich Makrophagen innerhalb einer Minute vollständig an eine schwerelose Umgebung an und eröffnen damit Astronauten und Abenteurern völlig neue Möglichkeiten.



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© NASA

„Houston, wir haben ein Problem“ – nicht wenn es nach Säugetierzellen geht. Denn diese haben mit der Schwerelosigkeit im All weniger Probleme, als bisher angenommen.

Eigentlich ist das ziemlich verwunderlich, bedenke man, dass sich die Anziehungskraft der Erde seit vier Milliarden Jahren nicht verändert hat und alles terrestrische Leben optimal an die Schwerkraft angepasst ist. So beeinflusst die Gravitation nicht nur die Morphologie einer Zelle, sondern auch ihre Proliferation, ihr Wachstum und ihre Differenzierung, sowie ihre Signalweiterleitung und ihre Genexpression. Man würde also annehmen, dass Zellen Schwerelosigkeit so gar nicht gut vertragen.

Umso erstaunlicher ist es, dass Astronauten selbst nach monatelanger Space-Mission wieder zurück auf der Erde keine gesundheitlichen Schäden davontragen. Wie kommt das? Die Universität Zürich wollte diesem scheinbaren Widerspruch zu Leibe rücken. Eine vor 15 Jahren veröffentlichte Studie im Journal Brain Research (934, 132-9) hatte bereits gezeigt, dass die Schwerelosigkeit gravierend auf Gliazellen wirkte: Nach dreißigminütiger simulierter Mikrogravitation war das Zytoskelett der Zellen beschädigt, Mikrofilamente und Intermediärfilamente komplett durcheinander, Mikrotubuli verloren ihre sternförmige Anordnung, die Zellform verschlechterte sich, der Nukleus zeigte veränderte Chromatin-Verdichtungen und die DNA war fragmentiert – alles in allem wie erwartet also eher schlechte Auswirkungen. Doch nach zwanzig Stunden begannen sich die Zellen allmählich zu erholen, sodass die Merkmale weniger dramatisch waren. Nach 32 Stunden organisierte sich das Zytoskelett wieder soweit, dass die Morphologie der Zellen nicht mehr von den Kontrollzellen unterschieden werden konnte. Die Autoren vermuteten damals trotz alledem, dass die Funktionalität des Nervengewebes unter simulierter oder echter Mikrogravitation maßgeblich leide.

Cora Thiel und Oliver Ullrich vom Anatomischen Institut der Universität Zürich gingen einen Schritt weiter. Sie wollten die Auswirkung der Schwerelosigkeit nicht nur mit echter Mikrogravitation im All untersuchen, sondern legten ihr Augenmerk auch auf eine ganz andere Zellfunktion: Den oxidativen Burst. In Makrophagen transportieren während dieses Prozesses Membran-gebundene NADPH Oxidasen Elektronen und generieren reaktive Sauerstoffspezies. Warum Thiel und Co. genau diese Reaktion wählten, hatte drei Gründe: Zum einen spielt die Oxidative-Burst-Reaktion eine Schlüsselrolle im angeborenen Immunsystem und ist besonders wichtig, um das Eindringen von Mikroben in den Körper zu verhindern. Zum anderen ist sie ein sehr ursprünglicher Prozess, welcher auch in Pilzen, Pflanzen und Tieren vorkommt – nicht aber in Prokaryoten und den meisten einzelligen Eukaryoten. Außerdem, so erklären die Autoren in ihrer Publikation in Scientific Reports (7 (43)), sei in vorangegangenen Experimenten schon gezeigt worden, dass die Mikrogravitation den oxidativen Burst inhibiere. Das wollten sie überprüfen.

Dazu packten Thiel et al. alle Forschungsmaterialien in eine Falcon-9-Rakete und schickten diese mit dem Dragon-Raumschiff auf der SpaceX-CRS-6-Mission am 14.April 2015 zur Internationalen Raumstation (ISS). Alle Experimente wurden im Labor direkt auf der ISS von der ESA-Astronautin Samantha Cristoforetti durchgeführt, nachdem sie ausgiebig darauf trainiert wurde. Die Italienerin achtete stets darauf, dass die für den Versuch verwendeten Ratten-Makrophagen durch Zentrifugieren immer einer der Erde entsprechenden Gewichtskraft erfuhren. Anschließend setzte sie die Zellen der Schwerelosigkeit aus und stimulierte sie mit der Hefe-Zellwand-Komponente Zymosan, die normalerweise eine Immunreaktion auslöst. Die Produktion der reaktiven Sauerstoffspezies wurde vollautomatisch mit einem Photomultiplier-Detektor-System und Luminol, einer chemilumineszenten Verbindung, gemessen. Gesteuert wurde das System indessen von der Erde aus. „Die Immunabwehr brach sofort nach Eintritt der Schwerelosigkeit ein“, beschreibt Ullrich die Beobachtungen in einer Pressemitteilung. „Die Abwehrzellen erholten sich aber überraschenderweise innerhalb von 42 Sekunden wieder vollständig.“

Das ist nicht nur blitzschnell, sondern auch ziemlich verwunderlich: „Es scheint paradox: Zellen sind fähig, sich ultraschnell an die Schwerelosigkeit anzupassen. Aber sie waren ihr in der Entwicklungsgeschichte des irdischen Lebens nie ausgesetzt“, wundert sich Erstautorin Cora Thiel in der erwähnten Pressemitteilung. Warum Zellen trotzdem so gut mit der Mikrogravitation auskommen, da haben die Autoren eine Vermutung: „Man darf nicht vergessen, dass Zellen auf ‚normaler Zellebene’ Beschleunigungen über der Erdanziehungskraft von 1 g ausgesetzt sind. Denken wir alleine zum Beispiel an die Beschleunigung von Blutzellen im Kreislauf“, erklärt Thiel und ergänzt: „Daher kann es durchaus sein, dass im Bereich unter 1 g ähnliche Anpassungsprozesse ausgelöst werden, die evolutionär im Bereich über 1 g ‚erlernt’ worden waren.“

Dieses Ergebnis ist nicht nur für Astronauten eine beruhigende Neuigkeit. Laut der niederländischen Stiftung Mars One kann man sich nämlich ab diesen Jahres wieder für eines der begehrten One-Way-Tickets zum roten Planeten bewerben. Abenteurern sei aber gesagt, dass die Schwerkraft auf dem Mars geringer ist als die auf der Erde. Dank Thiels und Ullrichs Studie wissen wir aber nun, dass das zumindest für die Makrophagen weniger Probleme verursachen dürfte als ursprünglich vermutet.

Juliet Merz



Letzte Änderungen: 25.04.2017

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