Das menschliche Herz zeigt bereits nach einem Monat im Weltraum Anzeichen von Alterung
Im Verlauf von nur einem Monat im Weltraum wurde das konstruierte Herzgewebe des Menschen schwächer, seine „Schlag“-Muster wurden unregelmäßig, und es traten molekulare sowie genetische Veränderungen auf, die die Auswirkungen des Alterns nachahmten.1 Die Ergebnisse wurden heute in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.
Die Studie bietet eine nützliche Methode zur Identifizierung der molekularen Wege, die für die schädlichen Effekte des Weltraumflugs auf das menschliche Herz verantwortlich sind, sagt Joseph Wu, Kardiologe an der Stanford University in Kalifornien.
Mikrogravitation kann dem Körper schaden, und Astronauten, die ihr ausgesetzt sind, haben kardiovaskuläre Veränderungen wie unregelmäßige Herzschläge erlebt. Das Verständnis der Auswirkungen von Langzeitmissionen im Weltraum – die mehrere Monate andauern können – und der molekularen Veränderungen, die diesen Veränderungen zugrunde liegen, blieb jedoch out of reach, erklärt der Mitautor der Studie, Deok-Ho Kim, ein biomedizinischer Ingenieur an der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. „Es ist nicht möglich, die verschiedenen molekularen und funktionalen Studien an menschlichen Astronauten durchzuführen“, sagt er.
Ein ‚Herz‘ auf einem Chip
Um diese Herausforderung zu meistern, schickten Kim und seine Kollegen konzipiertes Herzgewebe für 30 Tage zur Internationalen Raumstation (ISS).
Um das Gewebe zu entwickeln, brachten die Forscher menschliche induzierte pluripotente Stammzellen, die als leere Leinwände fungieren und sich in jede Zellart differenzieren, dazu, sich in menschliche Herzmuskelzellen zu entwickeln. Das Team spannte Sets von sechs Gewebemustern zwischen Paaren von Ständern. Ein Pfosten in jedem Paar war flexibel, sodass die Muster wie ein schlagendes Herz kontrahieren konnten. Das System, das sie als Herz-auf-einem-Chip bezeichnen, war in einem Gehäuse untergebracht, das etwa halb so groß wie ein Mobiltelefon war.
Sobald das Herz-auf-einem-Chip-System an Bord der ISS war, verwendeten Kim und seine Kollegen Sensoren, um die Stärke der Kontraktion und die Schlagmuster des Gewebes in Echtzeit zu überwachen. Zum Vergleich überwachten sie ein weiteres Set von Gewebemustern, das auf der Erde blieb.
Nach 12 Tagen auf der ISS hatte die Kontraktionsstärke der Gewebe fast um die Hälfte abgenommen, während die der Bodenmuster relativ stabil geblieben war. Diese Schwächung war selbst nach neun Tagen Erholung auf der Erde weiterhin offensichtlich. Im Weltraum wurden die Schläge des Gewebes ebenfalls im Laufe der Zeit unregelmäßiger, wobei das Intervall zwischen jedem Schlag am 19. Tag um mehr als das Fünffache anstieg. Diese Unregelmäßigkeit verschwand jedoch, nachdem die Muster zur Erde zurückkehrten. Dies deutet darauf hin, dass die NASA-Astronauten Sunita Williams und Butch Wilmore – die aufgrund technischer Probleme mit dem Starliner-Raumschiff von Boeing monatelang auf der ISS festsaßen – wahrscheinlich kardiovaskulären Stress erfahren, der sich nach ihrer Rückkehr zur Erde wohl wieder legt, sagt Wu.
Genetische Veränderungen
Nachdem die Gewebe vom Weltraum zurückgekehrt waren, verwendeten Kim und seine Kollegen die Transmissionselektronenmikroskopie, um die Sarkomere der Muster zu betrachten – Proteinstränge, die für Muskelkontraktionen verantwortlich sind. Nach einem Monat in der Umlaufbahn waren diese Proteinbündel im Vergleich zu solchen, die auf dem Boden geblieben waren, kürzer und unordentlicher geworden. Die Mitochondrien – die energieproduzierenden Maschinen in Zellen – waren ebenfalls geschwollen und fragmentiert.
Als die Forscher das RNA der Gewebemuster sequenzierten, stellten sie einen Anstieg in der Expression von Genen und Signalwegen fest, die mit Entzündungen und Herzkrankheiten in den Geweben, die auf der ISS waren, verbunden sind. Gleichzeitig zeigten Gene, die für Proteine benötigt werden, die für die normale Herzkontraktion und die Mitochondrienfunktion nötig sind, Zeichen einer reduzierten Expression.
Obwohl der Ansatz des Herz-auf-einem-Chip innovativ ist, erfasst er nicht andere wichtige kardiovaskuläre Veränderungen, die im menschlichen Herzen auftreten können, wie den Druck in den Arterien, sagt Wu. Er fügt jedoch hinzu, dass eine ähnliche Einrichtung nützlich sein könnte, um zu untersuchen, wie andere Organe unter Mikrogravitation und extremen Strahlungsniveaus reagieren. „Die Fähigkeit dieser Plattform, in einer Mikrogravitation zu funktionieren und gleichzeitig die Gewebeviabilität aufrechtzuerhalten, ist ein großer Vorteil“, sagt er.
Kim und seine Kollegen planen, weiteres Herz- und Organ- Gewebe für längere Zeit ins All zu schicken, um die Auswirkungen des Weltraumflugs eingehender zu untersuchen. Sie hoffen auch, Medikamente zu testen, die einige der Auswirkungen der Mikrogravitation auf das Herz entgegenwirken können.
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Mair, D. B. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 121, e2404644121 (2024).
