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MDS-Muscle - Mäuse helfen bei der Entwicklung von Maßnahmen gegen Muskelabbau (abgeschlossen)

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  • Mäuse in Schwerelosigkeit

    Mäuse in Schwerelosigkeit

    Experimente an Mäusen und Ratten in Schwerelosigkeit waren in der Vergangenheit auf relativ kurze Zeiträume (fünf bis 20 Tage) begrenzt. Beim Mice Drawer System (MDS)-Experiment verbrachten die Mäuse 91 Tage an Bord der ISS.

  • Käfige fertig für den Weltraumflug

    Käfige fertig für den Weltraumflug

    Sechs Mäuse haben in der MDS-Muscle-Anlage Platz

  • Unterschiedliche Muskelfasertypen im Zehenstrecker%2dMuskel der Maus

    Unterschiedliche Muskelfasertypen im Zehenstrecker-Muskel der Maus

  • Installation der MDS%2dAnlage auf der ISS

    Installation der MDS-Anlage auf der ISS

    NASA-Astronautin Nicole Stott bei der Installation der MDS-Anlage auf der ISS

Hintergrund und wissenschaftliche Ziele:

Schwerelosigkeit, aber auch Bettlägerigkeit und eine bewegungsarme Lebensweise führen beim Menschen zum Abbau des Muskel- und Knochensystems (Muskelatrophie, Osteoporose). Trotz der Entwicklung verschiedener Trainingsmethoden ist es bislang nicht hinreichend gelungen, diese Veränderungen vor allem bei Langzeitmissionen im Weltraum vollständig zu unterbinden. Insofern ist es unbedingt notwendig, die molekularen Mechanismen des Abbaus besser zu verstehen, um so neue Ansatzpunkte für die Entwicklung wirksamerer Gegenmaßnahmen für Astronauten, aber auch für alte und kranke Menschen auf der Erde zu finden. Vergleichende Versuche an Mäusen und Ratten sind in diesem Zusammenhang aus zwei Gründen sehr attraktiv: Zum einen laufen die Veränderungen an diesen Organismen wegen ihrer kürzeren Lebenszeit sehr viel schneller ab, zum anderen können umfangreiche anatomische, biochemische und molekularbiologische Verfahren eingesetzt werden.

Experimentbeschreibung:

Experimente an Mäusen und Ratten in Schwerelosigkeit waren in der Vergangenheit auf relativ kurze Zeiträume (fünf bis 20 Tage) begrenzt. Beim Mice Drawer System (MDS)-Experiment verbrachten die Mäuse 91 Tage an Bord der ISS.

Status:

Die MDS-Experimentanlage wurde im Auftrag der italienischen Raumfahrtagentur ASI von Alcatel/Alenia-Space in Zusammenarbeit mit Prof. Cancedda (Universität Genua) für sechs Mäuse entwickelt und gebaut. Ein internationales Wissenschaftlerteam mit Arbeitsgruppen aus Italien, Deutschland und Japan hatte sich zusammengefunden, um die Effekte der Langzeit-Schwerelosigkeit auf Skelettmuskeln von Mäusen mit den verschiedensten modernen Methoden zu untersuchen. MDS wurde mit den Space Shuttle Discovery (STS-128) zur ISS und mit Atlantis (STS-129) wieder zur Erde zurück gebracht.

Parallel zum Weltraumexperiment wurden in einer MDS-Anlage am Boden sowie in einem normalen Laborkäfig an der Universität Genua entsprechende Kontrollexperimente auf der Erde durchgeführt. Nach einem detailliert ausgearbeiteten Programm wurden die biologischen Gewebeproben anschließend zur weiteren Analyse an die beteiligten Wissenschaftler verteilt.

Ergebnisse:

Die in Schwerelosigkeit gehaltenen Mäuse zeigten eine eindeutige Muskelatrophie. Diese war allerdings nur wenig stärker ausgeprägt als bei Mäusen, die in früheren Missionen für etwa 20 Tage im Weltraum geflogen waren. Die Forscher vermuten, dass sich nach einer gewissen Zeit in Schwerelosigkeit ein neues Gleichgewicht ausbildet. Die Atrophie war in verschiedenen Muskeln unterschiedlich ausgeprägt: Wie erwartet war der Schollenmuskel der Wade (Musculus soleus) stärker betroffen als der sogenannte Lange Zehenstrecker (EDL = Extensor digitorum longus), da ersterer ganz wesentlich im Sinne eines "Anti-Schwerkraft-Muskels" für die körperliche Haltungskontrolle bei der Fortbewegung auf der Erde verantwortlich ist.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Dieter Blottner an der Charité Berlin befasste sich vor allem mit speziellen mikroskopischen Auswerteverfahren, um die strukturellen und molekularen Zellveränderungen im Skelettmuskel in Schwerelosigkeit näher zu analysieren. Die Wissenschaftler wendeten hierfür bestimmte Methoden zur Antikörperfärbung (Immunhistochemie) mit anschließender mikroskopischer Analyse mit einem speziellen Verfahren (konfokales Laser Scanning). Zusätzlich wurden molekularbiologische Mikrochipverfahren eingesetzt, um erstmalig funktionelle Signalwegketten im Skelettmuskel in Schwerelosigkeit zu untersuchen.

Folgende Veränderungen konnten im Soleus nachgewiesen werden: Veränderungen im Fasertypenmuster (Typ 2 > Typ 1), die mit einer intrazellulären Verlagerung des Enzyms NOS-1 (Nitric Oxide Synthase-1) einhergehen, Zunahme von Ionenkanälen im Sarcolemm (Zellmembran der Muskelzellen), Abnahme der Calciumaktivierten Kaliumkanäle, Abnahme der Hormone Interleukin-6 und IGF-1 (Insulin-like growth factor), um nur einige zu nennen. Im Zehenstreckermuskel (EDL) traten diese Veränderungen nicht auf oder gingen manchmal sogar in die entgegengesetzte Richtung. In diesem Muskel scheinen bestimmte kompensatorische oder schützende Stoffwechselwege und Signalkaskaden in Schwerelosigkeit aktiviert zu werden.

Perspektiven für Forschung und Anwendung:

Das MDS-Muscle Experiment auf der ISS hat neue Erkenntnisse über den Mechanismus des Muskelabbaus in Schwerelosigkeit auf anatomischer, biochemischer und molekularer Ebene erbracht. Möglicherweise bieten die Eiweißstoffe NOS-1, IGF-1 und IL-6 neue molekulare Ansatzpunkte für die Entwicklung innovativer Gegenmaßnahmen gegen Muskelabbau im Weltraum und auf der Erde. Deren Potenzial muss nun in weiteren Studien auch am Boden erforscht werden.

Start: 29. August 2009 / Space Shuttle Discovery (STS-128)
ISS-Zeitraum August bis November 2009
Unterbringung EXPRESS-Rack im Destiny-Modul
Experimentator Prof. Dr. Dieter Blottner
Einrichtung Charité Berlin
Bereich Gravitationsbiologie
Partner ASI (Prime), NASA, JAXA

 

Zuletzt geändert am:
03.07.2014 11:44:16 Uhr