Welchen Einfluss hat die Weltraumumgebung auf Astronauten? Herzchip zeigt Veränderungen bei Astronauten nach einem Monat im Weltraum

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Die beiden Astronauten der NASA waren am Boden zerstört. Ursprünglich hatten sie geplant, nur für acht Tage auf Geschäftsreise zu gehen, doch wer hätte gedacht, dass sich aufgrund von Problemen wie einem Ausfall der Triebwerke des Raumfahrzeugs und einem Heliumleck aus den acht Tagen versehentlich acht Monate ergeben würden. Die folgenden Nachrichten könnten sie jedoch noch mehr erschüttern. Wissenschaftler haben vor kurzem herausgefunden, dass bei Astronauten, die länger als einen Monat im Weltraum bleiben, das Herz nicht nur altert, sondern auch „aus dem Takt gerät“.

Wie wir alle wissen, ist die Weltraumumgebung sehr komplex und Strahlung, Schwerelosigkeit und andere Umgebungen wirken sich auf die Gesundheit der Astronauten aus. Die Frage, wie man die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf den menschlichen Körper genauer untersuchen kann, ohne Astronauten zu „verbrauchen“, war schon immer ein Problem, das Wissenschaftler beschäftigt hat. Um die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das Herz zu untersuchen, haben Wissenschaftler der Johns Hopkins School of Medicine eine „Herzchip“-Lösung entwickelt.

Was also ist die „Herzchip“-Technologie? Ist es dasselbe wie ein menschliches Herz?

Ein „Herzchip“ ist ein experimentelles In-vitro-System, das künstlich hergestelltes Herzgewebe verwendet, um die Funktion und das Verhalten des Herzens im menschlichen Körper nachzuahmen. Im Einzelnen umfasst die Technologie die folgenden Schlüsselschritte: Erzeugung von Herzgewebe: Die Forscher verwenden zunächst menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) und differenzieren diese in Kardiomyozyten. Diese Zellen sind die Hauptbestandteile des Herzens und für die Kontraktion und den Herzschlag verantwortlich. Während des Gewebedesignprozesses reihten die Forscher diese Kardiomyozyten in sechs Gruppen von Proben ein, die zwischen Säulenpaaren aufgereiht waren. Eine der Säulen in jedem Paar ist flexibel und die andere ist starr, wobei in die flexiblen Säulen Magnete eingebettet sind.

Im zweiten Schritt wird das zuvor erzeugte Herzgewebe in einer abgedichteten Kammer eingeschlossen, sodass das flüssige Medium, in dem das Gewebe kultiviert wird, nicht im Raum schwimmt. Schließlich werden diese Kammern mit Gewebe auf eine Kulturplatte geladen, unter der der Magnetsensor positioniert ist. Mithilfe der Sensoren können die Forscher Informationen über die Kontraktion des Herzgewebes sammeln und feststellen, ob die Kontraktionsstärke des Herzgewebes nachgelassen hat.

Als nächstes installierten sie das „Herzchip“-System in einer Kammer, die etwa halb so groß wie ein Mobiltelefon war. Sobald dieses System mit Gewebeproben an Bord der Internationalen Raumstation ist, können Forscher mithilfe von Sensoren Gewebekontraktionen und die Intensität von Schlagmustern in Echtzeit überwachen. Natürlich überwachten sie zum Vergleich auch eine Gruppe von Geweben, die auf der Erde verblieben waren.

Die Forscher stellten fest, dass die Kontraktionsintensität des Gewebes bereits nach 12 Tagen auf der ISS fast halbiert war und die Schwächung auch neun Tage nach der Rückkehr zur Erde noch sichtbar war. Die Schrumpffestigkeit der geschliffenen Proben war relativ stabil.

Darüber hinaus wurden die Pulsationen des Gewebes mit der Zeit im Weltraum unregelmäßiger; die Intervalle zwischen den einzelnen Schlägen vergrößerten sich bis zum 19. Tag um mehr als das Fünffache. Die unregelmäßigen Pulsationen verschwanden jedoch, als das Gewebe zur Erde zurückkehrte. Erinnern Sie sich an die beiden Astronauten, die wir am Anfang erwähnt haben und die immer noch im Weltraum schweben? Ihr Herz-Kreislauf-System kann einer solchen Belastung ausgesetzt sein. Nach einem langen Aufenthalt im Weltraum ist nicht nur ihr Geisteszustand instabil, sondern auch ihr Herz ist instabil. Glücklicherweise sollte sich diese Situation entspannen, wenn wir nächstes Jahr zur Erde zurückkehren.

Nachdem das Gewebe zur Erde zurückgekehrt war, setzten die Forscher das Experiment fort und untersuchten mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie die Sarkomere des Gewebes, das für die Kontrolle der Muskelkontraktion verantwortlich ist. Dabei stellten sie fest, dass diese im Vergleich zu den Sarkomeren des auf der Erde verbliebenen Gewebes kürzer und ungeordneter geworden waren, was beim Menschen ein Anzeichen für eine Herzerkrankung ist. Darüber hinaus wurden die Mitochondrien, die als Energiefabriken dienen, in Geweben, die 30 Tage auf der Internationalen Raumstation verbrachten, größer und runder und verloren die charakteristischen Falten, die den Zellen helfen, Energie zu nutzen und zu produzieren.

Als die Forscher die RNA aus den Gewebeproben sequenzierten, stellten sie fest, dass in Geweben, die einige Zeit auf der ISS verbracht hatten, eine erhöhte Expression von Genen und Signalwegen zu beobachten war, die mit Entzündungen und Herzerkrankungen in Zusammenhang stehen – ebenfalls ein Kennzeichen von Herzerkrankungen. Dies deutet weiter darauf hin, dass Herzzellen in der Weltraumumgebung starkem Stress oder Funktionsstörungen ausgesetzt sind, was zu einer beeinträchtigten Energieproduktion führen kann, was wiederum eine geschwächte Kontraktilität der Herzzellen und eine verschlechterte allgemeine Zellgesundheit zur Folge hat.

Im Jahr 2023 werden Forscher eine zweite Charge 3D-konstruierten Herzgewebes zur Raumstation schicken, um Medikamente zu testen, die Zellen vor den Auswirkungen der geringen Schwerkraft schützen könnten. Diese Forschung ist derzeit noch im Gange und Wissenschaftlern zufolge können diese Medikamente Menschen dabei helfen, ihre Herzfunktion im Alter aufrechtzuerhalten.

Glauben Sie, dass die Schäden, die Ihr Körper durch eine lange Mission im Weltraum erleidet, hier enden?

Am 4. Februar 2024 um 16:30:08 Uhr Pekinger Zeit brach der 59-jährige russische Astronaut Oleg Kononenko den Weltrekord des anderen russischen Astronauten Gennadi Padalka, der sich insgesamt 878 Tage, 11 Stunden, 29 Minuten und 48 Sekunden im Weltraum aufgehalten hatte. Damit wurde er zum Menschen mit der insgesamt längsten Aufenthaltsdauer im Weltraum.

Sowohl die Vereinigten Staaten als auch Russland haben umfangreiche Forschungen an Astronauten durchgeführt, die sich längere Zeit im Weltraum aufhalten. Einem Bericht der National Aeronautics and Space Administration (NASA) zufolge besteht die erste Herausforderung für Astronauten nach dem Betreten des Weltraums darin, dass die Schwerelosigkeit dazu führt, dass Blut und andere Körperflüssigkeiten in die Brust und den Kopf zurückfließen, was bei den Astronauten zu Gesichtsödemen, Krampfadern im Hals und einer Verstopfung des Nasenrachenraums führen kann. Im Allgemeinen ist eine solche Situation in den ersten Tagen nach dem Betreten des Weltraums am deutlichsten zu erkennen. Wenn Sie jedoch Astronauten sehen, die „Großkopf-Spezialeffekte“ verwenden, geraten Sie nicht in Panik, denn diese Situationen werden sich bis zu einem gewissen Grad allmählich entspannen, wenn sich der menschliche Körper an die Schwerelosigkeit gewöhnt.

Zweitens kommt es bei Astronauten, die sich längere Zeit in einer Umgebung der Schwerelosigkeit oder Mikrogravitation aufhalten, zu deutlichem Muskelschwund und Kalziumverlust in den Knochen. Selbst wenn sie über den stärksten Körperbau verfügen, ist es schwierig, nach einem längeren Aufenthalt im Weltraum nicht „brüchig“ zu werden.

Dies liegt daran, dass der Druck auf tragende Knochen wie Beinknochen und Wirbelsäule plötzlich nachlässt. Gleichzeitig nimmt mit der Abnahme der Muskelbewegung auch die Stimulation der Knochen ab, was zu einer starken Knochenentkalkung und Ausscheidung über die Nieren führt. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass diese Auswirkungen durch vermehrte körperliche Betätigung teilweise gemildert werden können. Um Muskelschwund zu vermeiden, müssen Astronauten auch auf der Internationalen Raumstation einen täglichen Trainingsplan absolvieren: mindestens zwei Stunden täglich auf einem Laufband laufen oder andere Übungen an Geräten durchführen. Natürlich sollte man beim Sport nicht nur sein Bestes geben, sondern auch die maximale Leistungsfähigkeit nutzen.

Der bereits erwähnte russische Astronaut Kononenko sagte in einem Interview, dass er regelmäßig Sport treibe, um die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf seinen Körper zu bekämpfen. Darüber hinaus nehmen russische Astronauten auch spezielle Medikamente ein. Doch selbst die Einnahme von Medikamenten und regelmäßiges Training können diese Probleme nicht vollständig lösen.

Ein Forschungsbericht von Sportwissenschaftlern der Universität Calgary in Kanada aus dem Jahr 2022 zeigte, dass Astronauten, die etwa sechs Monate in einer Weltraumumgebung lebten, ein Jahr nach ihrer Rückkehr zur Erde ihre vorherige Knochenstärke wiederherstellen konnten. Astronauten, die längere Zeit im Weltraum verbringen, können einen dauerhaften Knochenschwund erleiden. Nun, wir sind einen Schritt näher daran, ein „dauerhaft fragiler Arbeitnehmer“ zu werden.

Doch tatsächlich ist die Schädlichkeit des Weltraums für den menschlichen Körper noch lange nicht vorbei ... Auch der Sonnenwind und die kosmische Strahlung im Weltraum können dem menschlichen Körper schaden. Ein Forschungsbericht der NASA zeigt, dass Astronauten auf der Internationalen Raumstation in 400 Kilometern Höhe einer Strahlendosis von mehr als 0,5 Millisievert pro Tag ausgesetzt sind. Die Strahlendosis, der die Besatzung eines Passagierflugzeugs in 12 Tagen ausgesetzt ist, entspricht der Strahlung, der sie in einem Jahr ausgesetzt ist. Doch glücklicherweise sind diese Strahlendosen für den menschlichen Körper nicht so schädlich, wie wir dachten.

Erinnern Sie sich, was wir am Anfang gesagt haben? Wenn Sie länger als einen Monat im Weltraum bleiben, altert Ihr Herz und schlägt unregelmäßig. Obwohl die Auswirkungen des Weltraums auf die menschliche Alterung für Astronauten keine guten Nachrichten sind, ist die Weltraumumgebung sehr hilfreich, um die mit der Alterung verbundenen Mechanismen zu verstehen. Diese Effekte lassen sich bereits kurze Zeit nach dem Eintritt der Astronauten in die Mikrogravitation beobachten. Würden wir hingegen Alterungsmodelle bei Tieren auf der Erde untersuchen, würde es Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis wir einige der Veränderungen, die im Laufe der Zeit auftreten, und die Auswirkungen des Alterns erfassen könnten.

Seit Juri Gagarin 1961, als erster Held der Menschheitsgeschichte im Weltraum erfolgreich mit der Raumsonde Wostok 1 ins All flog und die Erde umkreiste, sagte er: „Erde, du bist so schön.“ Von Neil Armstrongs „Ein kleiner Schritt für die Menschheit, ein riesiger Sprung für die Menschheit“, als er 1969 den Mond betrat, bis zu Yang Liweis „gutem Gefühl“, als er als erster Chinese ins All flog … sie sind zweifellos großartige „Hardcore-Spieler“ des Universums, die den Mut und den Entdeckergeist der Menschheit repräsentieren und herausragende Beiträge zu Wissenschaft und Technologie, Medizin und anderen Bereichen der Menschheit geleistet haben.

Abschließend hoffen wir auch, dass die beiden Astronauten, die immer noch gezwungen sind, weite Strecken im Weltraum zurückzulegen, zwar ihren Herzschlag nicht stabilisieren können, aber ihr Bestes geben können, um ihre Emotionen zu stabilisieren und sicher, reibungslos und pünktlich zur Erde zurückzukehren.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Ma Ning, populärwissenschaftlicher Autor

Gutachter: Zhou Binghong, Forscher, Botschafter für die Popularisierung der chinesischen Luft- und Raumfahrtwissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.