Case Study Update: Knorpelzellen in Schwerelosigkeit

Forschende der Hochschule Luzern untersuchten mit Hilfe eines BINDER CO₂-Inkubators, wie Knorpelzellen auf veränderte Schwerkraft reagieren.

Knorpelzellen in Schwerelosigkeit

Wie reagieren Knorpelzellen auf veränderte Schwerkraft? Forschende der Hochschule Luzern untersuchten diese Frage 2019 bei Parabelflügen der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Für die Kultivierung und Vorbereitung der Zellen kam ein BINDER CO₂-Inkubator CB 170 zum Einsatz. Inzwischen liegen mehrere wissenschaftliche Publikationen mit den Ergebnissen vor.

Forschende der Hochschule Luzern vor einem Airbus A310

Wie reagieren Zellen auf veränderte Schwerkraft?

Knorpelzellen sind ständig mechanischen Belastungen ausgesetzt. Wie sie solche Kräfte wahrnehmen und darauf reagieren, ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Im Projekt COW – Cartilage ExpOsed to Weightlessness untersuchte die Hochschule Luzern deshalb, ob sich wichtige Strukturen in Knorpelzellen unter wechselnden Gravitationsbedingungen verändern.

Die speziell entwickelte Flight Hardware ermöglichte die Fixierung der Zellproben zu verschiedenen Zeitpunkten während des Parabelflugs. (Quelle s.u.)

Kontrollierte Bedingungen mit BINDER

Für die Versuche mussten die Zellen unter reproduzierbaren Bedingungen kultiviert und vorbereitet werden. Dafür nutzte das Forschungsteam einen BINDER CO₂-Inkubator CB 170.

Für die ESA-Parabelflugkampagne wurde der Inkubator nach Bordeaux transportiert. Dort blieben die Zellen bis kurz vor dem Flug unter kontrollierten Kulturbedingungen, bevor sie in die speziell entwickelte Flight Hardware (Bild links) überführt wurden.

Auch bei Vorversuchen spielte der Inkubator eine Rolle: Eine Random Positioning Machine wurde im CB 170 eingesetzt, um bestimmte Effekte von Mikrogravitation über mehrere Tage zu simulieren.

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen der Tubulin-Struktur
von Knorpelzellen vor und während des Parabelflugs (Quelle s.u.)

31 Parabeln in Mikro- und Hypergravitation

Während der ESA-Parabelflugkampagne absolvierte ein Airbus A310 31 Parabeln. Dabei waren die Zellproben abwechselnd kurzen Phasen von Hypergravitation und Mikrogravitation ausgesetzt.

An verschiedenen Zeitpunkten wurden Proben fixiert und anschließend untersucht. Im Mittelpunkt standen zunächst Tubulin und Vimentin, zwei Bestandteile des Zellskeletts.

Was ergaben die Studien?

Die erste Publikation erschien 2020 in Microgravity Science and Technology. Die Forschenden stellten keine signifikanten Veränderungen der untersuchten Tubulin- und Vimentin-Strukturen während des Parabelflugs fest.

Die Forschung wurde anschließend fortgesetzt. 2022 erschienen zwei weitere Publikationen. Untersucht wurden unter anderem der Calciumhaushalt und das Membranpotenzial der Knorpelzellen. Auch diese Parameter blieben während kurzer Phasen veränderter Schwerkraft unverändert.

Damit konnten die Forschenden mögliche Mechanismen weiter eingrenzen, über die Knorpelzellen auf mechanische Belastungen reagieren.

BINDER in den wissenschaftlichen Publikationen

BINDER wird sowohl in der Publikation von 2020 als auch in der 2022 erschienenen Studie in Acta Astronautica ausdrücklich für die Unterstützung des Forschungsprojekts genannt.
Der CB 170 war dabei nicht selbst Gegenstand der Untersuchung. Seine Aufgabe war es, den Zellen während der Vorbereitung stabile und reproduzierbare Kulturbedingungen zu bieten.

Zur ursprünglichen Case Study aus 2019: Case Study Hochschule Luzern

Bildquellen:

Flight-Hardware im Flugzeug: Wuest, S. L. et al. (2020), Microtubules and Vimentin Fiber Stability during Parabolic Flights, Microgravity Science and Technology 32, 921–933, Fig. 4, CC BY 4.0.

Tubulin-Färbung der Knorpelzellen: Wuest, S. L. et al. (2020), Microtubules and Vimentin Fiber Stability during Parabolic Flights, Microgravity Science and Technology 32, 921–933, Fig. 6, CC BY 4.0.

Lizenz: Deed - Attribution 4.0 International - Creative Commons