ROMS@RUTH Experiment

Insbesondere die fehlende Schwerkraft ist für eine Reihe von Auswirkungen verantwortlich, die bei aus dem All zurückkehrenden AstronautInnen beobachtet werden. Dazu gehört eine Abnahme der kognitiven und motorischen Leistungsfähigkeit, die auf sowohl strukturellen als auch funktionellen Veränderungen auf Ebene des Gehirns basiert. Die zugrundeliegenden physiologischen Mechanismen sind noch unverstanden. Veränderungen der neuronalen Aktivität spielen eine zentrale Rolle bei der Neurodegeneration, und eine veränderte neuronale Übertragung kann zu einer verminderten Leistungsfähigkeit beim Menschen führen. Daher gilt es, den Einfluss der veränderten Schwerkraft auf der Ebene der Zellen und deren Netzwerke untereinander zu verstehen.

Im dem Parabelflugexperiment RUTH (DLR – Universität Bonn – TH Köln) soll diese Hypothese untersucht und potentielle Gegenmaßnehmen erforscht werden. Frühere elektrophysiologische Experimente haben gezeigt, dass die neuronale Aktivität durch veränderte Schwerkraft beeinflusst wird. Durch den Einsatz der Multi-Elektroden-Array (MEA)-Technologie haben wir die elektrophysiologische Untersuchung von einer einzelnen Zelle auf die Ebene eines ganzen neuronalen Netzwerks erweitert. Durch die Integration des MEA-Geräts in ein speziell designtes Experimentmodul konnten wir bereits Ergebnisse auf verschiedenen Gravitations-Forschungsplattformen erzielen. Experimente wurden u.a. durchgeführt mit Hilfe der DLR-Kurzarmzentrifuge in Köln, des ZARM Fallturms in Bremen und die DLR Höhenforschungsraketen MAPHEUS-12, -13, und -14 in Kiruna (Schweden). Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Volker Busskamp des Universitätsklinikums Bonn haben wir die spontane Aktivität der von künstlich modifizierten und kultivierten Stammzellen gebildeten neuronalen Netzwerke in Echtzeit untersucht. Unsere Daten zeigen, dass die Schwerkraft als Umweltstimulus Veränderungen in der neuronalen Aktivität auslöst. Ferner reagierten die neuronalen Netze besonders auf akute Veränderungen der mechanischen Belastung (Hypergravitation) oder Entlastung (Mikrogravitation), die die neuronale Funktion erheblich beeinträchtigen. Unsere Studien zeigen deutlich die von der Schwerkraft abhängige Reaktion der neuronalen Netze und unterstreicht die Bedeutung weiterer Untersuchungen der neuronalen Aktivität und ihrer adaptiven Reaktionen auf Mikro- und Hypergravitation. Um den Auswirkungen von veränderten Schwerkraftbedingungen auf die neuronale Übertragung entgegenzuwirken, schlagen wir eine akute oder präventive Behandlung der neuronalen Netze mit pharmakologischen Wirkstoffen vor. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Sherif El Sheikh von der Technischen Hochschule Köln hat einen neuartigen Syntheseweg für eine Reihe von Ketamin-Derivaten entwickelt, von denen bereits gezeigt wurde, dass sie die neuronale Plastizität effizient erhöhen. Diese neuartigen Verbindungen könnten die veränderte neuronale Signalweiterleitung positiv beeinflussen und somit eine potente Gegenmaßnahme gegen die veränderte synaptische Plastizität sein.

Menschliche Hirn-Organoide als organotypisches 3D in vitro Modell für die Neurowissenschaften unter Erd- und Weltraumbedingungen 

Die MiHBO (MicroHeavy Brain Organoids) Studie verwendet Hirnorganoide, gewebsähnliche Zellgebilde, die aus menschlichen Stammzellen erzeugt wurden, um die Auswirkungen von Weltraumstrahlung und Mikrogravitation auf die Entwicklung, Struktur und Funktion neuronaler Netzwerke zu erforschen. Die Experimente dienen der Vorbereitung auf mögliche Studien auf der Internationalen Raumstation. Im Rahmen des geplanten Parabelflugs wollen wir testen, ob uns infrastrukturelle, technische und molekularbiologische Bedingungen ermöglichen, während der Hyper- und Mikro-g-Phasen eines Parabelflugs Proben zu nehmen. Dies erfordert die Fixierung von Gehirn-Organoiden während des Fluges. Ein vollständig geschlossenes Hardware-Design, das einen solchen Fixierungsschritt ermöglicht, wurde bereits während der MAPHEUS-14 Höhenforschungsraketen-Kampagne erfolgreich getestet (Projekt „Rocket Organoids under Microgravity in Space, ROMS). Das Experiment wird für den anstehenden Parabelflug so angepasst, dass kleinere Volumina von Medium und Fixativ verwendet werden können. Der Parabelflug ermöglicht es uns, die bei MAPHEUS-14 gewonnenen Daten zu verifizieren. Darüber hinaus wollen wir die Untersuchung auf spezifischere Organoide ausweiten, die den präfrontalen Kortex und den Hippocampus repräsentieren.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

Die MiHBO (MicroHeavy Brain Organoids) Studie verwendet Hirnorganoide, gewebsähnliche Zellgebilde, die aus menschlichen Stammzellen erzeugt wurden, um die Auswirkungen von Weltraumstrahlung und Mikrogravitation auf die Entwicklung, Struktur und Funktion neuronaler Netzwerke zu erforschen. Die Experimente dienen der Vorbereitung auf mögliche Studien auf der Internationalen Raumstation. Im Rahmen des geplanten Parabelflugs wollen wir testen, ob uns infrastrukturelle, technische und molekularbiologische Bedingungen ermöglichen, während der Hyper- und Mikro-g-Phasen eines Parabelflugs Proben zu nehmen. Dies erfordert die Fixierung von Gehirn-Organoiden während des Fluges. Ein vollständig geschlossenes Hardware-Design, das einen solchen Fixierungsschritt ermöglicht, wurde bereits während der MAPHEUS-14 Höhenforschungsraketen-Kampagne erfolgreich getestet (Projekt „Rocket Organoids under Microgravity in Space, ROMS). Das Experiment wird für den anstehenden Parabelflug so angepasst, dass kleinere Volumina von Medium und Fixativ verwendet werden können. Der Parabelflug ermöglicht es uns, die bei MAPHEUS-14 gewonnenen Daten zu verifizieren. Darüber hinaus wollen wir die Untersuchung auf spezifischere Organoide ausweiten, die den präfrontalen Kortex und den Hippocampus repräsentieren.