Raketenstart für StellarHeal – Meilenstein für zukünftige Wundversorgung bei Raumflügen und auf der Erde
Am Donnerstag, den 12. März ist eine Forschungsrakete aus dem
REXUS-Programm vom schwedischen Esrange Space Center in die Stratosphäre
gestartet, an Bord das THRIVE-Modul mit Komponenten des zellbasierten
StellarHeal-Wundversorgungsmat
Seit letztem November liefen die Vorbereitungen für den aktuellen
Raketenstart, jetzt heißt es Daumen drücken, dass die Experimente gute
Ergebnisse bringen.
Warum Wundheilung bei Raumflügen eine Herausforderung ist
Der Weltraum ist eine herausfordernde Arbeitsumgebung. Auch die
Wundheilung unter Raumfahrbedingungen ist erschwert. Fehlende Schwerkraft
stört Zellorganisation und Zellwachstum, während kontinuierliche Strahlung
das Immunsystem schwächt. Verzögerte Heilung, erhöhte Wundinfektionsgefahr
und verstärkte Narbenbildung können die Folgen sein. Darüber hinaus müssen
sich Astronaut:innen einfach und effizient selbst versorgen können und
schnell wieder einsatzfähig sein. Die Antwort auf diese Herausforderungen
lautet: StellarHeal. Drei renommierte Forschungseinrichtungen haben sich
zu diesem Thema zusammengeschlossen: das Fraunhofer-Institut für
Silicatforschung ISC in Würzburg, das Fraunhofer-Institut für Toxikologie
und Experimentelle Medizin ITEM in Hannover und das Dresdener Institut für
Luft- und Kältetechnik ILK.
StellarHeal – ein neues Wundheilungskonzept
Das Besondere am StellarHeal-Konzept? Eine blutungsstillende und
vollständig bioresorbierbare Fasermatrix soll verletzte Astronaut:innen
vor dem Verbluten und vor Komplikationen bei der Wundheilung bewahren.
Zudem soll es ohne Verbandswechsel auskommen und damit helfen, Nutzlast
bei Raumflügen zu sparen. Es ist strahlungsbeständig und flexibel genug,
um sich verschiedenen Wunden anzupassen. Es verfügt über eine spezielle
Beschichtung, die hilft, Blutungen schnell zu stoppen. Zusätzlich werden
lebende Hautzellen und Makrophagen integriert, um die Wundheilung zu
fördern, Infektionen zu bekämpfen und übermäßige Narbenbildung zu
verhindern. StellarHeal kombiniert dafür mehrere fortschrittliche
Entwicklungen aus den Materialwissenschaften, der Kryotechnologie und der
Biotechnologie zu einer neuartigen Anwendung. Das neue Wundheilungskonzept
wird zwar für den Einsatz im Weltraum entwickelt, könnte aber auch auf der
Erde großes Potenzial zum Beispiel bei der Behandlung chronischer Wunden
haben. Doch wie testet man während der Entwicklung eines solchen neuen
Materials, ob es überhaupt einen Raketenstart überstehen würde? Hier kommt
das europäische REXUS-Programm ins Spiel.
Schwedische Raketen für europäische Höhenforschungsprojekte
Das Esrange Space Center nahe Kiruna liegt rund 200 Kilometer nördlich des
Polarkreises und ist ein bedeutender Standort für europäische
Raumfahrtforschung. Auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) nutzt den dortigen Weltraumbahnhof regelmäßig für Raketenstarts mit
Experimenten unter Schwerelosigkeit. Das gemeinsame REXUS-Programm bietet
heute Studierenden in Europa eine einzigartige Möglichkeit, Experimente
unter Raketenstartbedingungen durchzuführen. Für das StellarHeal-Projekt
gingen die technische Assistentin Ingrid Gensch aus der Arbeitsgruppe
Immunzelltechnologien am Fraunhofer ITEM und die zwei Masteranden Markus
Münig und Jonas Pfister vom Fraunhofer ISC und der Technischen Hochschule
Würzburg-Schweinfurt an den Start und bereiteten mit dem Teilprojekt
THRIVE (Tissue Healing Research In-flight Viability Experiment) ein
Experiment für den REXUS-Flug vor. In einem von ihnen speziell
entwickelten gekühlten Transportmodul für organische und anorganische
Komponenten sollen StellarHeal-Komponenten erstmals beweisen, dass sie
einen Raketenstart überstehen und somit auch tatsächlich eine Basiseignung
für zukünftige Raumflüge besitzen. Dr. Dieter Groneberg, der das
StellarHeal-Projekt leitet, umreißt die Herausforderung: »Das neue
Wundversorgungskonzept kombiniert aus Stammzellen gewonnene
Zellkomponenten, sogenannte Fibroblasten aus Hautorganoiden und
Makrophagen, mit zelltragenden Materialien aus Kieselgelfaservlies und
einem Kryogel. Wir wissen bisher nicht, wie sich einzelne Komponenten
unter den extremen Bedingungen eines Raketenstarts verhalten, das ist für
uns ein ganz spannendes Black-Box-Experiment!«
Gemeinsame Forschung für ein großes Ziel
Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC ist schon seit langem auf
dem Gebiet der Materialentwicklung für Tissue Engineering und
Wundversorgung tätig. Die Forschungsgruppe um Dr. Dieter Groneberg
arbeitet an lebenden Hautmodellen, um neue Heilungsmöglichkeiten und
Wirkmechanismen zu untersuchen. Für StellarHeal entwickelt das Fraunhofer
ISC Team Hautorganoide – aus diesen werden sogenannte Fibroblasten
gewonnen. Sie sollen wundheilungsfördernd wirken und helfen, die
Narbenbildung zu verringern. Auch das Trägermaterial aus
Kieselgelfaservlies kommt aus der Forschung und Entwicklung des Fraunhofer
ISC, ein Material für die Wundversorgung, das sich vollständig im Körper
abbauen und aufgrund seiner chemischen Struktur gute Resistenz gegen
kosmische Strahlung erwarten lässt. StellarHeal und das Teilprojekt THRIVE
stehen im Kontext der umfangreichen NewSpace-Aktivitäten in Würzburg und
Nordbayern, an denen das Fraunhofer ISC maßgeblich beteiligt ist.
Am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in
Hannover haben Forschende eine Stammzelltechnologie-Plattform etabliert,
welche die Herstellung funktioneller Immunzellen für den Einsatz in
innovativen Wundheilungstherapien ermöglicht. Kernstück dieser Entwicklung
sind neuartige Gewebsorganoide, sogenannte Hemanoids, die die
physiologische Umgebung einer Knochenmarknische, also der Umgebung im
Knochenmark, nachbildet. Diese Organoide sind in der Lage, kontinuierlich
Immunzellen, beispielsweise Makrophagen, zu generieren, die eine
entscheidende Rolle bei der Organregeneration und Wundheilung spielen. Die
dahinterstehende Technologie, Makrophagen aus induziert-pluripotenten
Stammzellen (iPSC) abzuleiten und herzustellen, wurde von Prof. Dr. Nico
Lachmann an der Medizinischen Hochschule Hannover entwickelt und wird nun
von ihm in einer Arbeitsgruppe am Fraunhofer ITEM in die Anwendung
überführt: Im Rahmen des StellarHeal-Projekts stellen die Forschenden
sowohl die Knochenmarksorganoide als auch die daraus gewonnenen
Immunzellen für die Weltraumforschung bereit.
Das Know-how des ILK Dresden als Partner im StellarHeal-Projekt basiert
auf langjähriger Erfahrung in den Bereichen Tieftemperaturphysik und
Kältetechnik für die Lebenswissenschaften. Ein besonderer Fokus liegt
dabei auf der schonenden Kryokonservierung, also dem unbeschadeten
Einfrieren und Auftauen von Zellen. Für das Projekt hat das ILK Dresden
ein einzigartiges Trägergel für die Kryokonservierung und Applikation
therapeutischer Zellen auf einer chemisch definierten, serumfreien
Medienbasis entwickelt. Die Entwicklung dieses Mediums war äußerst
anspruchsvoll: Neben der funktionserhaltenden Kryokonservierung soll es
das Überleben, Wachstum und die Vermehrung der therapeutischen Zellen
ermöglichen. Gerade diese Eigenschaften sind entscheidend für die
Behandlung schwer heilender Wunden, da nur lebende und teilungsfähige
Zellen zur schnellen Regeneration von Gewebe beitragen können
Wie geht es nach dem Raketentest weiter
Der Raketenstart und das THRIVE-Experiment dienen dazu, ein Transportmodul
für organische und anorganische Bausteine der neuartigen
Wundheilungsmethode StellarHeal unter extremen Bedingungen zu überprüfen.
Einer der Probensätze wird im THRIVE-Modul in den Weltraum fliegen. Der
zweite bleibt als Bodenkontrolle auf der Erde und wird gemeinsam mit den
zurückkehrenden Proben ausgewertet. So können die Forschenden exakt
bestimmen, welche Veränderungen auf den Transport und welche auf die
Bedingungen beim Raketenflug zurückzuführen sind.
Die Funktionsfähigkeit des aktiv gekühlten Transportmoduls soll validiert
und gleichzeitig die Belastbarkeit der von den StellarHeal-Partnern
entwickelten Wundheilkomponenten während eines REXUS-Flugs bewertet
werden. Das Versuchsmodul schützt die empfindlichen Bausteine vor äußeren
thermischen Einflüssen, zeichnet Beschleunigungen und Temperaturänderungen
auf und erleichtert die Analyse potenzieller Schäden an Stammzellen nach
der Rückkehr. Das durch THRIVE gewonnene Wissen bildet die Grundlage für
die künftige Nutzung der StellarHeal-Wundheilung im bemannten
Weltraumflug. »Wir sind alle sehr gespannt auf die Auswertung des THRIVE-
Moduls nach dem REXUS-Flug. Das gibt uns wichtige Anhaltspunkte für die
weitere Entwicklungsarbeit«, freut sich Projektleiter Groneberg.
Glossar/Begriffs-Erklärungen:
Gewebsorganoide: Miniaturisierte, funktionsähnliche Gewebe aus
Stammzellen, die bestimmte Gewebe- bzw. Organfunktionen nachbilden.
Hemanoide: Spezifische Gewebsorganoide zur Nachbildung der
Knochenmarkumgebung (benanntes Prinzip im Text).
Knochenmarknische: Die mikroskopische Umgebung des Knochenmarks, in der
Blutzellen entstehen.
Makrophagen: Immunzellen, die Krankheitserreger, Fremdstoffe und Zellreste
aufnehmen und abbauen und an Entzündungs- sowie Reparaturprozessen im
Gewebe beteiligt sind.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC): Zellen, die durch
Reprogrammierung aus erwachsenen Zellen zu primitiven Stammzellen werden
können und somit nahezu alle Zelltypen bilden können.
StellarHeal-Projekt: Forschungsprojekt, das die Anwendung der
Knochenmarksorganoide und Immunzellen in der Weltraumforschung untersucht.
Weltraumforschung unter extremen Bedingungen: Experimente, die dort
stattfinden, wo Umweltfaktoren wie Schwerkraft und Strahlung stark
abweichen, z. B. am Rand der Erdatmosphäre.
Kryogel/Kryokonservierung: Verfahren zum Einfrieren und zeitweisen
Aufbewahren von Zellen bei sehr niedrigen Temperaturen.
THRIVE: Tissue Healing Research in-flight Viability Experiment – das
Weltraumexperiment im THRIVE-Modul.
REXUS-Programm: Europäisches Programm, das Studenten Experimente unter
Raketenstartbedingungen ermöglicht.
Esrange Space Center: Raketenstart-Standort in Schweden nahe Kiruna.
