Wenn Zellen schweben lernen

Wenn Astronauten ins All starten, lassen sie nicht nur die Erde hinter sich. Ihr Körper gerät in eine Umgebung, für die er nicht gemacht ist. Muskeln verändern sich, Knochen bauen ab, das Herz-Kreislauf-System muss sich anpassen. Hinzu kommt die kosmische Strahlung, der Menschen auf langen Missionen ausgesetzt sind. Für die Forschung ist der Weltraum ein außergewöhnliches Labor. Unter Bedingungen, die auf der Erde nur annähernd erzeugt werden können, lässt sich beobachten, wie sich menschliche Zellen verändern und Gewebe auf Belastungen reagiert. Was weit oben im All erforscht wird, kann deshalb auch für die Menschen auf der Erde von Bedeutung sein.

Hier setzt PULSE an. Hinter dem komplexen Projekt steht ein internationales Konsortium, das Fachwissen aus Bioprinting, Weltraummedizin, Strahlenforschung und Herzforschung zusammenbringt. Beteiligt sind die Universität Maastricht, die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, die Medizinische Universität Graz, das belgische Kernforschungszentrum SCK CEN, das belgische Raumfahrt- und Technologieunternehmen Space Applications Services, die portugiesische Biotech-Firma Metatissue, das dänische Pharmaunternehmen RD Innovation und das italienische Unternehmen IN Society.  Über fünf Jahre – noch bis März 2028 – wollen die Partner eine neue fast schon revolutionäre Bioprinting-Technologie entwickeln. Gefördert wird PULSE vom Europäischen Innovationsrat im Programm „Pathfinder Open“ mit fast vier Millionen Euro. In Magdeburg ist Prof. Dr. med. Daniela Grimm, Leiterin der Abteilung Mikrogravitation und Translationale Regenerative Medizin, mit ihrem Team an dem Projekt beteiligt. Die Wissenschaftlerin beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der Frage, wie menschliche Zellen auf veränderte Schwerkraftbedingungen reagieren. Bereits um die Jahrtausendwende begann die Pharmakologin und Internistin, in der Krebsforschung Zellen unter Bedingungen simulierter Schwerelosigkeit zu untersuchen. Dabei zeigte sich erstmals, dass sich dreidimensionale Zellstrukturen bilden können – ein wichtiger Ausgangspunkt für die heutige Forschung.

Ein Drucker für die Schwerelosigkeit

Im Mittelpunkt steht bei PULSE ein neuartiger 3D-Bioprinter, der für den Einsatz in der Schwerelosigkeit entwickelt wird. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Universität Maastricht, wo der Drucker gebaut und die Technologie für das Bioprinting weiterentwickelt wird. Das Besondere: Anders als beim klassischen 3D-Druck werden die biologischen Zellen und Gewebestrukturen nicht einfach Schicht für Schicht auf einer Oberfläche aufgebaut. Sie werden hier mithilfe magnetischer und akustischer Kräfte gezielt bewegt und in der Schwebe gehalten. So lassen sich dreidimensionale Gewebestrukturen unter Bedingungen bilden, die für herkömmliche Verfahren kaum zu erreichen sind.

Die Magdeburger Forschungsgruppe bringt ihre langjährige Erfahrung mit simulierter Schwerelosigkeit in das Projekt ein. Ihre Aufgabe ist es, Gewebe unter diesen Bedingungen zu erzeugen und anschließend genau zu untersuchen. Für den am Projekt beteiligten Doktoranden Fernando Torres bedeutet das vor allem: viel Zeit im Labor zu verbringen. Er plant die Experimente mit, bringt die Zellkulturen unter die besonderen Bedingungen und untersucht anschließend, was mit ihnen passiert. Wer in die Labore blickt, sieht Geräte, die Proben kontinuierlich in alle Richtungen drehen. Für kleine und leichte Zellen verändert sich dadurch ständig die Richtung der Schwerkraft. So können sie Bedingungen wahrnehmen, die der Schwerelosigkeit ähneln. Die Forschenden nutzen diese Technologie, um dreidimensionale Zell- und Gewebekonstrukte herzustellen. Doch eine Simulation bleibt eine Annäherung. „Den Goldstandard, um wirklich zu wissen, wie es in der Schwerelosigkeit ist, kann nur das Weltall bieten“, erklärt Dr. Markus Wehland, Arbeitsgruppenleiter für Tissue Engineering. Deshalb sollen die in Magdeburg entstandenen Vergleichsgewebe später den Strukturen gegenübergestellt werden, die mit dem neuen Bioprinter unter anderen Bedingungen erzeugt werden. Die Forschenden untersuchen dabei unter anderem Gene, Proteine und die Frage, wie gesund und stabil die Zellen bleiben.

Warum ausgerechnet ein Herz?

Den „Proof of Concept“ wollen die Forschenden mit einem Stück Herzgewebe antreten. Das Herz dient hierbei als recht einfaches Modell – ein Muskel, durchzogen von Blutgefäßen, dessen Gewebe sich für die geplanten Untersuchungen eignet. Die noch kleinen gedruckten Gewebestücke sollen über Wochen beobachtet werden. Sind die Zellen noch lebendig? Wie verändern sie sich? Und was passiert, wenn sie zusätzlich Belastungen wie kosmischer Strahlung ausgesetzt werden? Genau solche Fragen wollen die Forschenden beantworten.

Warum sind die Antworten wichtig? Der Blick richtet sich dabei über die Erde hinaus. „Je weiter sich ein Raumfahrzeug von der Erde wegbewegt, desto autarker muss es sein, weil es immer schwieriger von außen versorgt werden kann“, sagt Markus Wehland. Langfristig könnten Technologien wie diese bei medizinischen Notfällen helfen, Gewebe direkt vor Ort herzustellen. Denkbar wären etwa Hauttransplantationen oder andere Gewebestrukturen. Doch das Forschungsprojekt ist nicht nur für künftige Reisen zum Mond, Mars oder weitere Tiefen des Alls interessant. Die Erkenntnisse, für die jetzt die Grundlagen entstehen, könnten auch auf der Erde hilfreich sein. Dreidimensionale Gewebemodelle ermöglichen es, genauer zu untersuchen, wie Zellen altern, wie sie auf Strahlung reagieren und was bestimmte Wirkstoffe in ihnen auslösen. Darum werden auch Medikamente getestet, die mögliche Strahlungseffekte oder altersbedingte Veränderungen beeinflussen könnten. Prof. Daniela Grimm sieht darin eine Chance: „Damit könnten sich langfristig neue Möglichkeiten für die medizinische Forschung eröffnen. Und wir könnten dazu beitragen, dass Tierversuche reduziert werden.“

Der Countdown läuft

Bis der Bioprinter und die zu untersuchenden Zellen Ende 2027 oder Anfang 2028 tatsächlich ins All fliegen, gibt es noch einiges zu klären. Unter anderem das: Lebende Zellen sind empfindlich. Sie müssen über längere Zeit kultiviert, sorgfältig vorbereitet und in ausreichender Menge für die Experimente hergestellt werden. Für Fernando Torres und das Team gehört diese Vorbereitung zum Forschungsalltag. Sie planen die Experimente, führen sie im Labor durch und werten aus, wie die Zellen auf die unterschiedlichen Bedingungen reagieren. Allein der Transport ins All stellt die Forschenden vor Herausforderungen. Während eines Raketenstarts können sich Zeitpläne verschieben, Energieversorgung und Temperaturen verändern. Deshalb wird derzeit auch untersucht, welche Belastungen die Zellen überstehen können. Später beginnt für die Magdeburger Forschenden der nächste wichtige Teil ihrer Arbeit: Die Gewebe aus dem Weltraum sollen mit den hier erzeugten Vergleichsgeweben untersucht werden. Was heute noch klingt wie Science-Fiction könnte künftig Realität werden. Und ausgerechnet die Schwerelosigkeit kann der Forschung auf der Erde neuen Auftrieb geben.