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Nervenzellen in der Schwerelosigkeit

Fliegende BrutschränkeNervenzellen im All

Langsamere Reaktionen und verändertes Aufnahmevermögen von Medikamenten – in der Schwerelosigkeit funktionieren Nervenzellen nicht mehr wie gewohnt. Warum das so ist, untersuchen nun zwei Wissenschaftler der Universität Hohenheim – und schicken die Nervenzellen dafür versuchsweise ins Weltall. 

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PD Dr. Claudia Koch und Dr. Florian Kohn bei einem Parabelflug. (Bildquelle: Universität Hohenheim / Fg. Membranphysiologie)

Im November sind sie mit ihren Experimenten auf der Internationalen Raumstation ISS vertreten. Ihre Erkenntnisse könnten eines Tages nicht nur erkrankten Astronauten zugutekommen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fördert das Projekt über das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit knapp 530000 Euro und macht es zu einem Schwergewicht der Forschung an der Universität Hohenheim.

Das gesamte Leben auf der Erde hat sich unter ihr entwickelt: Die Schwerkraft ist ein wesentlicher Faktor für alle Stoffwechselvorgänge. Wenn sie wegfällt, ändern sich die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen, die Signale brauchen in Schwerelosigkeit länger – und daran sind die Zellmembranen schuld.

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Das haben Dr. Florian Kohn und PD Dr. Claudia Koch vom Fachgebiet Membranphysiologie an der Universität Hohenheim in Vorversuchen herausgefunden. „In Experimenten mit künstlichen Zellen sahen wir, dass sich Schwerelosigkeit auf die Zellmembran auswirkt, die eine Zelle umschließt“, erklärt der Biophysiker Dr. Kohn. „Denn diese Schicht verändert ihre Viskosität, wird also gewissermaßen leicht verflüssigt.“

Eine der Folgen sei, dass dadurch zum Beispiel Substanzen wie Medikamente leichter oder auch schwerer in die Zelle eingeschleust werden können, erläutert seine Kollegin PD Dr. Koch. „Eine andere Frage ist, ob sich Nervenzellen in Schwerelosigkeit anders entwickeln. Von Knochen etwa ist bekannt, dass sie sich in Schwerelosigkeit mit der Zeit abbauen – doch was geschieht mit Nervenzellen?“, gibt die Expertin zu bedenken.

Fliegende Brutschränke: ISS-Experiment im November 2017

Aufschluss soll ein Experiment im Weltraum geben: Voraussichtlich ab 1. November 2017 wird die Internationale Raumstation ISS den beiden Forschern als Labor dienen. Sechs winzige, vollautomatisch agierende Hightech-Boxen wollen sie auf die Reise schicken. Darin enthalten sind menschliche Tumorzellen, die robuster und einheitlicher sind als echte Nervenzellen und den Wissenschaftlern als Modell dienen. Sie stammen vom Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen.

„Die Zellen wachsen in den geschlossenen Mini-Brutschränken auf Kulturmedium heran. Die Nährstoffe werden ihnen automatisch zugeführt“, beschreibt Dr. Kohn das Experiment. Nach sieben Tagen gibt das System Retinsäure dazu, eine Substanz, die von Vitamin A abgeleitet ist. „Das sorgt dafür, dass sich die Zellen zu Nervenzellen entwickeln. Nach weiteren sieben Tagen werden diese chemisch fixiert, zurück auf die Erde gebracht und im Labor untersucht“, schildert der Experte.

Den Ergebnissen ihrer Untersuchungen fiebert das Forscher-Duo bereits jetzt entgegen: „Schließlich ist es das erste Mal, dass wir die Zellen auf der ISS testen können.“

Kurz schwerelos: Parabelflüge und Höhenforschungsraketen

Die meisten ihrer Versuche müssen wesentlich zügiger vonstattengehen: Ganze 22 Sekunden Schwerelosigkeit wissen die Forscher für ihre Experimente zu nutzen. Denn bereits seit rund zehn Jahren nehmen die beiden regelmäßig an Parabelflügen teil. Bei diesen Kampagnen, organisiert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der European Space Agency (ESA), fliegt die Firma Novespace in Bordeaux mit einem umgebauten Airbus A310.

„Der Vorteil ist, dass wir Wissenschaftler selbst mit an Bord gehen und unsere Versuche betreuen können“, erzählt PD Dr. Koch. „Wir fliegen dann an einem Flugtag 31 Parabeln – mit jeweils 22 Sekunden für unsere Experimente.“

Etwas mehr Zeit bieten die sogenannten Höhenforschungsraketen, die ebenfalls zum Forschungsprogramm gehören. „Diese Raketen fliegen 300 km hoch und landen rund 15 Minuten später wieder. Das beschert uns sechs Minuten Schwerelosigkeit“, freut sich Dr. Kohn. Dafür müssen sie die Experimente allerdings, ähnlich wie für das ISS-Experiment, im Miniatur-Format und voll automatisiert konstruieren.

Missionstagebuch: Countdown zum Start auf die ISS

Letztendlich geht es den beiden Wissenschaftlern um Grundlagenforschung, wenn sie erkunden, wie sich die biophysikalischen Eigenschaften von Zellen unter Weltraumbedingungen ändern. „Wir wollen zum Beispiel besser verstehen, wie Medikamente in eine Zelle gelangen und wie wir dies beeinflussen können“, erläutert Dr. Kohn.

Das käme nicht nur einem im All erkrankten Astronauten zugute, bei dem die Dosierung der Medikamente angepasst werden müsse: „Auch auf der Erde kann das dazu beitragen, Medikamente zu optimieren.“

Bei der zweiten Frage nach der Entwicklung von Nervenzellen unter Schwerelosigkeit betreten die beiden Forscher mit ihrem ISS-Experiment Neuland. Ab etwa drei bis vier Wochen vor dem Start am 1. November 2017 wollen sie, wie bereits bei früheren Raketenstarts, in ihrem Missionstagebuch von den Vorbereitungen berichten.

Zu finden unter https://membranphysiologie.uni-hohenheim.de/69703

Hintergrund: Projekt Gravitationsabhängige Strukturen in neuronalen Zellen

Das Projekt „Gravitationsabhängige Strukturen in neuronalen Zellen“ startete am 1.10.2015. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fördert das Projekt über das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit 527592 Euro über einen Zeitraum von drei Jahren. Projektleiter ist Dr. Florian P.M. Kohn vom Fachgebiet Membranphysiologie an der Universität Hohenheim.

Hintergrund: Schwergewichte der Forschung

29,5 Mio. Euro an Drittmitteln akquirierten Wissenschaftler der Universität Hohenheim 2016 für Forschung und Lehre. In loser Folge präsentiert die Reihe „Schwergewichte der Forschung“ herausragende Forschungsprojekte mit einem finanziellen Volumen von mindestens 250000 Euro für apparative Forschung bzw. 125000 Euro für nicht-apparative Forschung.

Text: Elsner

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