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Vermischtes

Medizinische Experimente in 400 Kilometern Höhe

Donnerstag, 11. November 2021

Auf einer großen Videowand im Columbus Control Center im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Standort Oberpfaffenhofen sind die Astronauten der Falcon 9 Rakete von SpaceX zu sehen. Erstmals seit drei Jahren ist mit Matthias Maurer wieder ein deutscher Astronaut im All. /dpa, Felix Hörhager

Washington/Berlin – Der deutsche Astronaut Matthias Maurer ist zusammen mit drei US-Astronauten an Bord einer SpaceX-Raumkaspel zur Internationalen Raumstation ISS gestartet. Nach einem 22-stündigen Flug sollte die „Crew Dragon“ morgen Nacht an die ISS andocken.

Der 51-jährige Maurer ist nach Alexander Gerst der zweite Deutsche im Astronautenkorps der Europäi­schen Weltraumagentur ESA und der erste deutsche Astronaut, der an Bord einer SpaceX-Raumkapsel zur ISS fliegt. Insgesamt ist er der zwölfte Deutsche im All. Vor dem Start meldete Maurer sich auf Twitter vorübergehend ab mit den Worten: „Die nächsten Updates kommen aus dem Orbit!“

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Der promovierte Materialwissenschaftler aus St. Wendel durchlief ein mehrstufiges jahrelanges Auswahl­programm, bevor er 2015 in das Astronautenkorps der ESA aufgenommen wurde. Danach folgten weitere Ausbildungsschritte. Für seine Mission auf der ISS absolvierte Maurer zudem noch einmal Spezialtrainings – darunter für Überlebensstrategien in der Kälte und medizinische Notfälle.

Der Start war ursprünglich schon für den 31. Oktober geplant, wurde aber zunächst wegen eines Sturm­tiefs verschoben. Dann musste der Flug wegen einer „geringfügigen medizinischen Angelegenheit“ bei einem Besatzungsmitglied erneut aufgeschoben werden. Zuletzt wurde auch noch die Rückkehr einer anderen ISS-Crew vorgezogen. Zur Erde zurückkehren soll Maurer im April 2022.

Mehr als 100 Experimente

Während der Mission „Cosmic Kiss“ sind mehr als 100 wissenschaftliche Experimente geplant, von denen 36 in Deutschland entwickelt wurden. Forschen wollen Maurer und seine Kollegen in den Berei­chen Physik, Biologie, Medizin und künstlicher Intelligenz und dabei neue Technologien erproben.

Einer von Maurers künftigen Weltraummitbewohnern erwartete ihn bereits an Bord – der fliegende Kopf­roboter „Cimon“. Die sprachgesteuerte künstliche Intelligenz unterstützte schon den früheren ISS-Kom­mandanten Alexander Gerst auf seiner Mission „Horizons“.

Der Roboter soll mit Maurer kommunizieren und ihn bei komplizierten wissenschaftlichen Arbeiten un­terstützen. Als Vorbild für die inzwischen zweite Version von „Cimon“ diente Professor Simon Wright aus der Science-Fiction-Serie „Captain Future“ aus den 1980er-Jahren. Wright war ein „fliegendes Gehirn“ mit Sensoren, Kameras und einem Sprachprozessor.

Zu den Tests gehört zum Beispiel ein Pflaster aus dem 3D-Drucker, das sich mit körpereigenen Zellen wie eine zweite Haut über eine Wunde legen soll – das soll in Zukunft eine gewebebildende „Tinte“ aus einem Biodrucker ermöglichen. Den Drucker testet Maurer zum ersten Mal auf der ISS. Das Experiment soll zeigen, wie Wunden, Muskelverletzungen und Knochenbrüche schnell und wirkungsvoll versorgt werden können – was künftig auch den Menschen auf der Erde zugute kommen könnte.

Was sonst nur mithilfe schwerer medizinischer Gerätschaften festgestellt werden kann, misst auf der ISS ein smartes Oberteil. Mit dem „Smart-Tex“ können Astronauten Sensoren, die etwa den relativen Blut­druck oder die Öffnungs- und Schließzeiten von Herzklappen erfassen, ganz bequem am Körper tragen. Somit kann einfach erforscht werden, wie sich der das menschliche Herzkreislaufsystem unter Weltraum­bedingungen verhält. Maurer ist der erste Astronaut, der das „Smart-Tex“ auf der ISS ausprobiert.

Mit dem Experiment „Biofilms“ untersuchen die Astronauten auf der ISS neuartige Oberflächen auf die Bildung von bakteriellen Biofilmen. Auf den metallischen Oberflächen wurden vorbereitend Nanostruk­turen erzeugt, die verhindern sollen, dass sich Bakterien ansiedeln. Das Verfahren könnte künftig bei der Reduktion von Keimbelastungen in Krankenhäusern oder in der Industrie eine Rolle spielen.

Vier Experimente begleitet die Charité

Unter den geplanten Experimenten sind auch vier Projekte, die Forscher der Charité – Universitätsme­di­zin Berlin begleiten: „Thermo-Mini“, „Myotones“, „EasyMotion“ und „Cellbox-3“.

Die Physiologie des menschlichen Körpers ist an die Schwerkraft auf der Erde angepasst, so auch die Regulation der Körpertemperatur. Das Aufrechterhalten einer konstanten Körperkerntemperatur ist in der Schwerelosigkeit gestört, es kommt zu einem dauerhaften Temperaturanstieg – dem Weltraumfieber.

Damit Astronauten wie Maurer beim Sport oder bei Außenbordeinsätzen nicht überhitzen und ihre Ge­sundheit gefährden, wird im Projekt „Thermo-Mini“ die Körperkerntemperatur und Tagesrhythmik durch einen miniaturisierten Thermosensor an einem Stirnband aufgezeichnet. Dieser Wärmeflusssensor er­mögliche eine zuverlässige, schnelle und schmerzfreie Temperaturmessung kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg, so die Charité.

Die gewonnenen Daten sollen demnach am Ende klären, inwiefern der Mini-Thermosensor für einen Langzeiteinsatz im Weltall geeignet ist. Zukünftig könnten diese Messungen in die Standardüberwa­chung der Gesundheit von Astronauten aufgenommen werden. Aber auch in anderen extremen Arbeits­situationen – etwa in Bergwerken oder bei Feuerwehreinsätzen – könnten sie zum Einsatz kommen.

Bei „Myotones“ geht es um die Fragen der Muskulatur. Für die Besatzung der ISS ist ein geeignetes Mus­kelaufbautraining in der Schwerelosigkeit unabdingbar, um einem Abbau der Muskulatur und einer ein­geschränkten körperlichen Leistungsfähigkeit vorzubeugen.

Muskelaufbau und Training

Um Anzeichen eines Muskelabbaus nachvollziehen und entgegenwirken zu können, werden im Projekt „Myotones“ die wichtigsten biophysikalischen Eigenschaften des Muskels dokumentiert. Während der gesamten Mission sowie davor und danach werden der Muskeltonus – also die Ruhespannung – sowie die Steifigkeit und Elastizität der ruhenden Muskulatur beim Astronauten kontinuierlich überwacht, erläutert die Charité.

Für die Messungen verwendet der Astronaut das Messgerät „MyotonPro“, das etwa die Größe eines Smart­phones hat. Mit dessen Hilfe können auf etwa zehn Hautmesspunkten am Körper die biophysikali­schen Messparameter der darunterliegenden Strukturen wie Muskeln, Sehnen und Faszien – durch kur­zes Aufsetzen eines kleinen Messfühlers – in Echtzeit ermittelt und gespeichert werden.

Um das Muskeltraining während der Mission zu unterstützen, trägt der Astronaut für das Projekt „Easy­Mo­tion“ während des Trainings auf der ISS einen speziell für die Raumfahrt qualifizierten Trainingsan­zug. Durch die integrierten flachen Trocken-Elektroden wird die Muskulatur – durch Elektro-Myo-Stimulation (EMS) mit kurzen niederfrequenten Impulsen – zusätzlich zu seinem Routinetraining unwillkürlich sti­mu­liert. Auf diese Weise soll sich der Trainingserfolg in der Vorbereitung, während des Raumflugs sowie danach optimieren und die Trainingszeiten von derzeit etwa 2,5 Stunden pro Tag verkürzen lassen.

Wie die Muskeleigenschaften werden laut Charité auch die Auswirkungen der EMS auf die Muskulatur im Zusammenhang mit dem gleichzeitig laufenden „Myotones“-Experiment alle 60 Tage gemessen. Die ge­sammelten Daten sollen zeitnah zu einer Bodenstation der ESA in Toulouse, Frankreich, übermittelt und – zusammen mit dem Europäischen Astronautenzentrum (EAC) der ESA in Köln – durch das Team am ZWMB der Charité ausgewertet werden.

Für die Funktionsfähigkeit der Muskulatur ist der Zellkontakt zwischen Nerven- und Muskelzelle an der neuromuskulären Synapse essenziell. Das Projekt „Nemuco / Cellbox-3“ untersucht die strukturellen und funktionellen Veränderungen dieser Zellkontakte. Dabei wird deren Neubildung in Zellkultur laut Charite erstmalig unter Schwerelosigkeit erforscht.

In einem speziellen vollautomatischen Mikrolabor werden dafür dreidimensionale Zellkulturen von iso­lierten Nervenzellen zusammen mit jungen Muskelzellen gezüchtet und für mehrere Tage auf der ISS unter kontrollierten Kulturbedingungen gehalten. Die Zellen werden noch in Schwerelosigkeit fixiert und die Proben nach dem Rücktransport zur Erde an der Charité eingehend ausgewertet.

Neben mikroskopischen Untersuchungen werden auch Sequenzierungen der RNA und Analysen des Pro­teoms – also der Gesamtheit der Proteine – der Zellen erfolgen. Die Erkenntnisse aus diesen Experimen­ten sollen helfen, die molekularen Abläufe bei der Versorgung der Muskeln durch die Nervenzellen besser zu verstehen, schreibt die Charité.

Wieder zurück auf der Erde sollen die Projekte der Charité unter anderem dabei helfen, Rehabilitations- und Trainingsprogramme in Zukunft zu optimieren. „Muskeltonus und -steifigkeit sind wichtige Indikato­ren der Muskelgesundheit und nicht zuletzt der körperlichen Fitness und physiologischen Leistungs­fähig­keit des menschlichen Körpers – ob im Weltall oder auf der Erde“, sagte Dieter Blottner vom Institut für Integrative Neuroanatomie und vom Zentrum für Weltraummedizin und Extreme Umwelten Berlin (ZWMB) der Charité.

„Die nichtinvasive und leicht zu handhabende digitale Technologie, die wir für unser Projekt Myotones einsetzen, könnte neben dem Einsatz in der Sportmedizin und Physiotherapie zukünftig Anwendung fin­den – etwa bei der klinischen Untersuchung von Personen mit Bewegungsstörungen, Skelettmuskeler­krankungen oder -verletzungen.“ Auf diese Weise könnte die digitale Technologie im klinischen Alltag eine objektive Begutachtung des aktuellen Gesundheitsstatus von Patienten sowie eine Kontrolle ihres Therapieverlaufs gewährleisten.

„Wegen der vorherrschenden Schwerelosigkeit bietet uns die ISS einmalige Bedin­gun­gen“, sagte Hanns-Christian Gunga, stellvertretender Direktor des Instituts für Physiologie der Charité und Sprecher des dort angesiedelten ZW­MB. Im All ließen sich „biologische und physikalische Vorgänge weitgehend ohne Störeffekte untersu­chen, wie es in keinem Labor auf der Erde möglich wäre. © afp/dpa/may/aerzteblatt.de

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