ANN ARBOR – Forschungsergebnisse der University of Michigan flogen heute früh ins All und machen sich auf den Weg zur Internationalen Raumstation.
Zwei Experimente zur Untersuchung der Auswirkungen der Schwerkraft auf die Knochendichte verließen die Erde an Bord einer Northrop Grumman Corp. Antares-Rakete von der Startrampe Wallops Island, Virginia.
Maschinenbauingenieure entwarfen die Experimente, die darauf abzielen, die Unterschiede beim Knochendichteverlust auf der Erde und im Weltraum zu verstehen.
Die National Science Foundation finanzierte die Studie, die auch vom ISS National Laboratory gesponsert wird, in Partnerschaft mit Space Tango.
Allen Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UM, und Mitglieder seines Forschungsteams teilten in den folgenden von der Universität veröffentlichten Fragen und Antworten mit, wie ihre Arbeit dazu beitragen kann, Osteoporose besser zu verstehen und Astronauten sicherer zu machen:
Welcher Zusammenhang zwischen Knochendichte, Osteoporose und Schwerkraft macht diese Weltraumforschung für normale Menschen relevant?
Allen Liu: Osteoporose führt dazu, dass die Knochen mit zunehmendem Alter schwach und brüchig werden, was schon bei geringen Belastungen und Stürzen zu Brüchen führt. Es gibt schätzungsweise 10 Millionen Fälle in den USA und weitere 43 Millionen zeigen Anzeichen einer niedrigen Knochendichte.
Eine schwerelose Umgebung oder Mikrogravitation kann physiologische Veränderungen in Knochen verursachen und bietet eine einzigartige Forschungsumgebung ohne die typischen mechanischen Belastungen der Schwerkraft. Es verändert auch schnell, wie Zellen wachsen und funktionieren, ohne den Einsatz von Medikamenten oder Gentechnik.
Die Steifheit einer Zelle kann uns ihr biologisches Alter verraten, vorhersagen, wie ihre Funktion nachlässt, oder ihre Anfälligkeit für chronische Krankheiten im Laufe der Zeit. Wir testen die Hypothese, dass, wenn Zellen nicht gegen die Schwerkraft zurückdrängen, diese Verringerung der Steifheit sie für die gleiche Art von Veränderungen prädisponiert, die wir bei Osteoporose sehen. Aber wir glauben auch, dass wir diese gesundheitlichen Auswirkungen verhindern können, indem wir die Zellen mechanisch auf eine Weise komprimieren, die die Schwerkraft nachahmt.
Wie werden Sie die Zellsteifigkeit im Weltraum betrachten? Was kann Ihnen das über Astronauten sagen?
Nadab Wubshet, Doktorand im Maschinenbau: Wir vermuten, dass das Fehlen der Schwerkraft zu einer Erweichung der Zellen führen könnte, was die Ursache für den Knochenverlust sein könnte, der bei Astronauten nach einem langen Aufenthalt auf der ISS beobachtet wird. Astronauten machen an Bord Widerstandsübungen, um den Kompressionseffekt zu erzeugen, der ohne Schwerkraft fehlt.
Um die Zellsteifigkeit auf der ISS zu testen, verwenden wir ein automatisiertes mikrofluidisches Gerät, das Flüssigkeiten verwendet, um einzelne Zellen einzufangen und den Druck auf jede Zelle langsam zu erhöhen, um eine Verformung herbeizuführen. Fluoreszierende Markierungen ermöglichen es uns, die Form bei jedem Druckniveau zu sehen. Unser Gerät ist auch in ein System integriert, das Schnappschüsse und Videos aufnimmt, mit denen wir Daten sammeln können, um die Steifigkeit der Zelle zu messen.
Wie kann dies der menschlichen Gesundheit zugute kommen?
wubschet: Wenn sich unsere Hypothese als richtig erweist, werden unsere Ergebnisse einen guten Einblick geben, wie Änderungen physikalischer Kräfte wie der Schwerkraft die mechanischen Eigenschaften von Knochenzellen und die Knochenbildung beeinflussen. Ein besseres Verständnis der Auswirkungen einheimischer Kräfte wie der Schwerkraft auf die Knochenbildung könnte Einblicke in bessere Diagnosen und Behandlungen für Menschen geben, die mit Knochenabbau zu tun haben.
Aber auch die Anwendungen im Weltraum sind wichtig, insbesondere angesichts des wachsenden Interesses an der Weltraumforschung, wo sich Astronauten für längere Zeit in der Schwerelosigkeit aufhalten könnten. Wir hoffen, Lösungen zur Aufrechterhaltung der Knochendichte für diese Astronauten entwickeln zu können.
Im zweiten Experiment versuchen Sie, den Abbau von Knochenzellen zu reduzieren – was erhoffen Sie sich davon?
Grace Cai, Doktorandin in angewandter Physik: Die Zellen, die wir „Knochenzellen“ nennen, sind Osteoblasten, die Mineralien und Proteine ablagern, um Knochen aufzubauen, wo und wann sie am meisten gebraucht werden. In unserer Studie untersuchen wir, wie sich Schwerelosigkeit auf die Aktivität von Osteoblasten auswirkt.
Zellen in Mikrogravitation erfahren eine niedrige Zellspannung und wir können die Zellspannung erhöhen, indem wir mechanische Kompression anwenden. Indem wir kugelförmige Klumpen menschlicher Osteoblastenzellen in Schwerelosigkeit platzieren und Kompression anwenden, können wir testen, ob dies die Entwicklung und Erhaltung von Knochenzellen fördert und gleichzeitig Knochenschwund verhindert.
Wie werden die Proben zur Erde zurückgebracht und wie sehen Sie den Nutzen ihrer Analyse für zukünftige Astronauten?
cai: Während das erste Experiment auf der ISS durchgeführt wird, werden Proben für dieses zweite Experiment im Januar zur Analyse auf SpaceX CRS-26 zur Erde zurückgebracht. Unsere Ergebnisse hier sollten Aufschluss darüber geben, ob kompressive Raumanzüge und Kleidung Knochenschwund verhindern und die Knochengesundheit bei Astronauten verbessern können, die der Mikrogravitation ausgesetzt sind. Diese Arten von Technologien können dazu beitragen, Besatzungen zu schützen, die zur und von der ISS sowie zu anderen Zielen reisen.
Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse nicht nur Informationen für die Osteoporoseforschung auf der Erde liefern, sondern auch für andere altersbedingte Krankheiten und Krebsarten relevant sein werden. Zellmechanik und die Architekturen, die Zellen bauen, die für unsere eigene Studie von grundlegender Bedeutung sind, sind auch in diesen Bereichen wichtig.
Was sind die interessantesten Dinge, die Sie als Maschinenbauingenieur bei der Vorbereitung von Weltraumexperimenten gelernt haben?
Liu: Eine Herausforderung bei der Arbeit in einer Mikrogravitationsumgebung besteht darin, dass alles schwerelos ist, sodass der Umgang mit Flüssigkeiten zu einer großen Herausforderung wird. Alles muss verschlossen sein und unsere Zellen müssen in einer Tüte statt in einer Petrischale aufbewahrt werden. Und weil der Platz auf der ISS knapp ist, ist jedes Experiment in einem kleinen CubeLab-Container verpackt, etwa 6,3 Zoll hoch, 8,2 Zoll hoch und 12,3 Zoll breit.
Ich denke, als Forscher sind wir an Unsicherheiten gewöhnt, aber das ist etwas ganz anderes. Viele Dinge können bei einem Experiment auf der Erde schief gehen, und es macht es noch schwieriger, das Experiment im Weltraum richtig durchzuführen. Wir hoffen, dass die Experimente reibungslos verlaufen werden, und ich bin einfach nur froh, dass wir es geschafft haben!
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