Biomedizinische Experimente an neuronalen Systemen unter veränderten Schwerkraftbedingungen: Entwicklung von Flughardware für den flexiblen Einsatz auf Testplattformen

Abstract

Bemannte Raumfahrt führt bei Astronauten zu einer Vielzahl von Symptomen und Gesundheitsproblemen, die auf das Fehlen der Schwerkraft zurückzuführen sind. Um die physiologischen Reaktionen neuronaler Zellen auf veränderte Schwerkraft auf zellulärer und molekularer Ebene zu untersuchen, wurden Experimentmodule entwickelt, die multiple Analysemöglichkeiten während des Fluges bereitstellen. Unsere Forschung zielt darauf ab, zu verstehen, wie neuronale Zellen sich an veränderte Schwerkraftbedingungen anpassen. Zu diesem Zweck wurden "Vielflieger"-Module entwickelt, die flexibel und mehrfach auf verschiedenen Testplattformen für Gravitationsforschung eingesetzt werden können. Dazu gehören der ZARM-Fallturm (Bremen, DE), die DLR-Kurzarmzentrifuge (Köln, DE), Parabelflüge (Bordeaux, FR) und Höhenforschungsraketen (ESRANGE, Kiruna, SE), wie die DLR MAPHEUS Rakete. Das BIODECODER-Modul mit einem MEA (Multi-Electrode-Array) System, ermöglicht elektrophysiologische Untersuchungen zur Messung der synaptischen Aktivität einzelner Neuronen und ganzen Netzwerken. Die Abhängigkeit der neuronalen Aktivität von der herrschenden Schwerkraft konnte während Versuchen auf dem Fallturm, der Kurzarmzentrifuge und den MAPHEUS-Raketenflügen (M-12 10/22 & M-13 05/23 & M-14 02/24) bereits demonstriert werden. Das Modul, LIFT ermöglicht eine schnelle und zuverlässige chemische Fixierung von adherenten Zellen während verschiedener Beschleunigungsphasen auf verschiedenen Testplattformen. Für diese Anwendung wurden im DLR Kultivierungsgefäße entwickelt, um eine scherspannungsarme Fixierung durchzuführen. Die Modularität und Zuverlässigkeit des Moduls wurden bereits bei zwei Raketenflügen (M-13 05/23 & M-14 02/24) unter Beweis gestellt. Die Vielseitigkeit des LIFT-Moduls ermöglichte die Analyse von bis zu zwei verschiedenen Zelltypen pro Flug, z.B. IPSC-abstammende Neuronen, Motoneuronen, sowie primäre murine Astrozyten. Um optimale Bedingungen für die Zellsysteme zu gewährleisten, wurde ein analoges Heizsystem entwickelt und zertifiziert, welches eine kontinuierliche Temperaturregelung der Zellumgebung vom Labor, über das Experiment bis hin zur Entnahme der Proben gewährleistet. Mit unseren Modulen sind wir in der Lage, optimale wissenschaftliche Bedingungen zu garantieren und damit einzigartige Erkenntnisse über die Veränderung von zellulären Systemen unter veränderter Schwerkraft zu generieren.