"Studien mit Mikroschwerkraft deuten darauf hin, dass Stammzellwachstum im Weltraum schneller abläuft"

Interview mit Abba Zubair, M.D., Ph.D. von der Mayo Clinic Jacksonville, Florida (USA)

Die Internationale Raumstation ISS ist nicht nur das größte künstliche Objekt im Weltraum. Sie ist auch ein Labor für Physiker, Chemiker, Biologen und Mediziner, das mit ungefähr 28.000 Stundenkilometern in rund 400 Kilometern Höhe die Erde umkreist. Und dank dieses Standortes könnte die ISS eines Tages auch einen wichtigen Beitrag zur regenerativen Medizin leisten.

22.04.2014

Foto: Abba Zubair

Abba Zubair, M.D., Ph.D.; © Mayo Clinic

MEDICA.de sprach mit Abba C. Zubair, M.D., Ph.D., von der Mayo Clinic Jacksonville, Florida (USA). Er wird in einem Forschungsprojekt einen Bioreaktor zur Kultivierung menschlicher Stammzellen zur ISS schicken. Diese Zellen könnten in geringer Schwerkraft wesentlich schneller wachsen als auf der Erde und neue Perspektiven für die Behandlung von Gewebeschäden eröffnen.

MEDICA.de: Dr. Zubair, Sie haben vor einiger Zeit Forschungsgelder vom amerikanischen Center for the Advancement of Science in Space (CASIS) erhalten, um die Kultivierung menschlicher Stammzellen im Weltraum zu erforschen. Woher kommt die Idee für dieses Projekt ursprünglich?

Abba Zubair: Hier haben mehrere Faktoren zusammengespielt. Erstens hatte ich seit meiner Kindheit den Traum, Astronomie zu studieren und in den Weltraum zu fliegen. Die Berufsberater in Nigeria, wo ich aufgewachsen bin, haben mir aber davon abgeraten. Ich habe stattdessen Medizin studiert und mich für eine Karriere in Transfusionsmedizin und Stammzelltherapie entschieden. Dann habe ich Larry Harvey getroffen, der ein echter Weltraum-Enthusiast ist. Er hat vorgeschlagen, Experimente mit Krebszellen im Weltraum durchzuführen. Von mir kam dann die Idee, sich mit Stammzellen zu beschäftigen, die ja einerseits mein eigenes Fachgebiet sind. Andererseits, und das ist der wichtigste Grund, besteht in der regenerativen Medizin ein klinischer Bedarf an Stammzellen und an Methoden für ihre effiziente Kultivierung.

MEDICA.de: Welche Art von Stammzellen wollen Sie im Experiment kultivieren?

Zubair: Mit der CASIS-Förderung erforschen wir vor allem mesenchymale Stammzellen (mesenchymal stem cells, MSC). Wir werden aber auch induzierte pluripotente Stammzellen (induced pluripotent stem cells, iPSC) kultivieren, als Sicherheit sozusagen.

MEDICA.de: Was sind die potenziellen medizinischen Anwendungen dieser Zellen?

Zubair: Die Anwendungen sind unbegrenzt. MSC geben erwiesenermaßen Faktoren ab, die die Gewebereparatur und Zellregeneration anregen. Außerdem hemmen sie Entzündungen. Studien haben gezeigt, dass sie Reparatur und Regeneration des Herzens, der Nieren, der Gelenke und des Gehirns einleiten können. Mit den Fördergeldern wollen wir jetzt herausfinden, ob im Weltraum kultivierte MSC eine sichere Behandlungsalternative für Schlaganfallpatienten sind. Dieses Thema liegt mir selber sehr am Herzen, denn meine Mutter ist an den Folgen eines Schlaganfalls gestorben. Ich möchte eine effektive Behandlungsmethode finden, damit kein Sohn mehr seine Mutter durch einen Schlaganfall verliert. Weiterhin verhindern MSC die Abstoßung von Organen und eignen sich zur Behandlung vieler entzündlicher Krankheiten.

iPSC sind wie embryonale Stammzellen und können der Ursprung aller Gewebearten sein. Wir beginnen gerade erst, ihre Möglichkeiten zu verstehen.
Grafik: Raumstation

Die ISS ist ein fliegendes Forschungslabor im Weltraum. Die dort herrschende Beinahe-Schwerelosigkeit könnte die Kultivierung von Stammzellen beschleunigen (Symbolbild); © panthermedia.net/Norbert Dr. Lange

MEDICA.de: Warum ist es schwierig, die Zellen hier auf der Erde zu kultivieren?

Zubair: Stammzellen regulieren selbständig ihre Anzahl. Da sie die Grundlage für die Entwicklung und die Erhaltung jedes Organs sind, muss ihre Anzahl eingeschränkt bleiben, um die richtige Entwicklung zu gewährleisten. Wenn es im Körper zu viele Stammzellen gibt, können anormales Wachstum und sogar Krebs die Folge sein. Wenn Stammzellen durch Wachstumsfaktoren stimuliert werden, differenzieren sie zu ihren Tochterzellen. Dabei bleibt ihre Anzahl für gewöhnlich gleich. Wenn eine Person beispielsweise blutet, reagiert der Körper darauf, indem er Blutstammzellen dazu stimuliert, mehr Blutzellen zu bilden, während die Anzahl der Blutstammzellen im Körper unverändert bleibt.

MEDICA.de: Wie kann sich das im Weltraum ändern?

Zubair: Wir glauben, dass Beinahe-Schwerelosigkeit die Biologie der Stammzellen beeinflusst. Wir wissen, dass Gravitation alle Aspekte des Lebens auf der Erde beeinflusst, von der Zellteilung über die Interaktion zwischen Zellen bis hin zur Entwicklung von Gewebe und Organen. Studien mit simulierter Mikroschwerkraft auf der Erde deuten darauf hin, dass das Stammzellwachstum im Weltraum schneller abläuft. Mit unserem Studiendesign wollen wir diese Beobachtung in einer Umgebung mit tatsächlicher Mikroschwerkraft nachweisen.

MEDICA.de: Zur Kultivierung der Zellen wird ein Bioreaktor in den Weltraum geschickt. Hat er aufgrund des Einsatzortes Besonderheiten in Design und Konstruktion?

Zubair: Ja, jeder Einzelaspekt des Reaktors muss speziell für den Einsatz im Weltraum ausgelegt werden. Da man Flüssigkeiten im Weltraum nicht einfach von einem Gefäß ins nächste gießen kann, müssen selbst einfache Abläufe der Zellkultivierung, wie der Austausch des Mediums, speziell vorbereitet werden. Deshalb benutzen wir BioCell, ein semiautomatisches Zellkultursystem der Firma BioServe. BioCell wurde bereits bei Projekten im Weltraum getestet und wird für unsere Verwendung noch angepasst.

MEDICA.de: Mit wem arbeiten Sie beim Design zusammen? Was ist der Hintergrund der beteiligten Ingenieure?

Zubair: BioServe ist eine Tochter der University of Colorado. Die Firma hat mehr als 30 Jahre Erfahrung mit der Forschung im Weltraum.
Grafik: Start des SpaceShuttles

"Die nötige Technologie ist verfügbar": Mit genügend öffentlicher und finanzieller Unterstützung wäre die Versorgung von Patienten auf der Erde mit auf der ISS kultivierten Zellen, Geweben und sogar Organen machbar, sagt Dr. Zubair; © panthermedia.net/3DSculptor

MEDICA.de: Führt die Besatzung der ISS das Experiment durch, das heißt benötigt sie ein spezielles Training, oder wird der Prozess automatisiert ablaufen?

Zubair: Unser Experiment ist hauptsächlich automatisiert, aber die Crew muss trotzdem vorbereitet werden und auch Arbeitszeit an Bord einplanen. Sie wird etwa die einzelnen Experimente einleiten, Bilder der Zellen im Wachstum aufnehmen und schließlich Zellproben für die Rückkehr zur Erde vorbereiten.

MEDICA.de: Wie lange wird das Experiment auf der ISS dauern?

Zubair: Unser Experiment auf der ISS wird ungefähr einen Monat benötigen. Die gesamte Studie wird von der Vorbereitung vor dem Flug bis zur Zellanalyse nach der Rückkehr insgesamt etwa zwei Jahre dauern.

MEDICA.de: Wie wollen Sie die Arbeit danach fortsetzen?

Zubair: Das Studiendesign umfasst drei Phasen. In der aktuellen ersten Phase wollen wir die grundlegende Frage beantworten, ob wir MSC und iPSC im Weltraum schneller kultivieren können. Außerdem wollen wir klären, ob man im Weltraum kultivierte Zellen sicher zur Behandlung von Menschen einsetzen kann.

Wenn wir diese Fragen sicher positiv beantworten können, wollen wir in der nächsten Phase genügend Stammzellen auf der ISS erzeugen, um eine klinische Pilotstudie mit Patienten durchzuführen, die kürzlich einen hämorrhagischen Schlaganfall erlitten haben. Wir konnten in einem Schlaganfall-Modell bereits zeigen, dass auf der Erde kultivierte MSC die Neuroregeneration einleiten und die Entzündungsreaktion im Hirn hemmen können. Derzeit bereiten wir eine klinische Pilotstudie vor, um die Behandlung von Schlaganfallschäden mit diesen MSC zu erproben. Wir hoffen, diese Studie kann als Vorbild für die Erprobung von MSC von der ISS dienen.

In der letzten Studienphase wollen wir mehr über die großangelegte Kultivierung lernen: Neben Stammzellen und Gewebe könnten wir sogar menschliche Organe auf der ISS erzeugen. Das wird natürlich noch viele Jahre dauern, aber wir halten es durchaus für möglich, denn die nötige Technologie ist verfügbar. Wir benötigen bloß genügend Unterstützung, durch die Öffentlichkeit und finanziell, um unsere Ziele zu erreichen.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt und übersetzt von Timo Roth.  
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