Neue Forschungsergebnisse belegen die Wirksamkeit einer künstlich hergestellten Verbindung bei der Verhinderung von Knochenschwund bei raumreisenden Mäusen. Dieser Durchbruch könnte eine Lösung für Astronauten und Osteoporosepatienten hier auf der Erde bieten. Eine neue Studie, die heute (18. September) in der Nature-Partnerzeitschrift npj Microgravity veröffentlicht wurde, hat herausgefunden, dass die Gabe einer manipulierten Verbindung an Mäuse an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) den raumzeitbedingten Knochenverlust weitgehend verhinderte.
Die von einem interdisziplinären Team von Professoren der University of California, Los Angeles (UCLA) und des Forsyth Institute in Cambridge, Massachusetts, geleitete Studie beleuchtet eine vielversprechende Therapie zur Linderung des extremen Knochenschwunds, der durch langfristige Raumfahrt und Muskel-Skelett-Degeneration auf der Erde verursacht wird.
Der durch Mikrogravitation verursachte Knochenverlust ist seit langem ein wichtiges Problem bei Langzeit-Weltraummissionen. Die durch die Mikrogravitation verringerte mechanische Belastung führt zu einem zwölfmal höheren Knochenverlust als auf der Erde. Bei Astronauten im niedrigen Erdorbit kann es zu Knochenschwundraten von bis zu 1 % pro Monat kommen, was die Knochengesundheit der Astronauten beeinträchtigen und das Risiko von Knochenbrüchen während längerer Raumflüge und später im Leben erhöhen würde.
Aktuelle Strategien zur Eindämmung des Knochenschwunds basieren auf übungsbedingter mechanischer Belastung, um die Knochenbildung zu fördern. Diese Strategie ist jedoch bei weitem nicht perfekt für Besatzungen, die bis zu sechs Monate lang der Schwerelosigkeit ausgesetzt sind. Bewegung verhindert nicht immer den Knochenschwund, nimmt den Bewohnern wertvolle Zeit in Anspruch und kann bei bestimmten Arten von Verletzungen eine Kontraindikation darstellen.
Die neue Studie untersuchte, ob die systemische Verabreichung von NELL-ähnlichem Molekül-1 (NELL-1) den durch Mikrogravitation verursachten Knochenverlust reduzieren kann. Die Studie wurde von Chia Soo, MD, stellvertretender Vorsitzender der Abteilung für Plastische Chirurgie und Professorin für Chirurgie und orthopädische Chirurgie an der David Geffen School of Medicine der UCLA, geleitet. NELL-1, entdeckt von Kang Ting, MD, vom Forsyth Institute, ist entscheidend für die Knochenentwicklung und die Aufrechterhaltung der Knochendichte. Professor Ding hat außerdem mehrere Studien geleitet, die zeigen, dass die lokale Verabreichung von NELL-1 Muskel-Skelett-Gewebe wie Knochen und Knorpel regenerieren kann.
Die systemische Lieferung von NELL-1 auf der Internationalen Raumstation erforderte vom Forschungsteam, die Anzahl der Injektionen zu minimieren. Ben Wu, Ph.D., und Yulong Zhang, Ph.D., vom Forsyth Institute, steigerten das therapeutische Potenzial von NELL-1, indem sie die Halbwertszeit des NELL-1-Moleküls von 5,5 Stunden auf 15,5 Stunden verlängerten, ohne die biologische Aktivität zu verlieren, und schufen ein „intelligentes“ BP-NELL-PEG-Molekül durch Biokonjugation eines inerten Bisphosphonats (BP), das gezielter auf Knochengewebe abzielen kann, ohne die üblichen schädlichen Auswirkungen von BP.
Anschließend führten die Teams von Soo und Ting eine umfassende Bewertung des verbesserten Moleküls durch, um die Wirksamkeit und Sicherheit von BP-NELL-PEG auf der Erde zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass BP-NELL-PEG eine ausgezeichnete Spezifität für Knochengewebe aufweist, ohne offensichtliche Nebenwirkungen zu verursachen.
Um die Praktikabilität von BP-NELL-PEG unter tatsächlichen Weltraumbedingungen zu bestimmen, arbeiteten die Forscher mit dem Center for the Advancement of Space Science (CASIS) und der Ames Branch der National Aeronautics and Space Administration (NASA) zusammen, um umfangreiche Vorbereitungen für den Weltraum zu treffen. Die Hälfte der ISS-Mäuse wurde bis zu neun Wochen lang einer Mikrogravitationsumgebung („TERM-Flug“) ausgesetzt, um die Herausforderungen einer Langzeit-Raumfahrt zu simulieren, während die restlichen Mäuse 4,5 Wochen nach dem Start in den Weltraum zurückgeflogen wurden erste Rückkehr einer lebenden Maus in der Geschichte der USA („LAR-Flug“). Sowohl die TERM-Gruppe als auch die LAR-Fluggruppe erhielten eine Behandlung mit BP-NELL-PEG oder einer Kontrollgruppe mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS). Eine gleiche Anzahl von Mäusen verbleibt im Kennedy Space Center wie eine Kontrollgruppe mit normaler Erdschwerkraft („Boden“) und wird ebenfalls mit BP-NELL-PEG oder PBS behandelt.
Die Knochenbildung war sowohl bei fliegenden als auch bei Bodenmäusen, die mit BP-NELL-PEG behandelt wurden, signifikant erhöht. Mäuse, die im Weltraum und auf der Erde behandelt wurden, hatten keine offensichtlichen negativen Auswirkungen auf ihre Gesundheit.
„Unsere Ergebnisse sind vielversprechend für die zukünftige Weltraumforschung, insbesondere für Missionen, die langfristige Aufenthalte in Schwerelosigkeitsumgebungen beinhalten“, sagte die Hauptautorin Chia Soo. „Wenn Humanstudien dies bestätigen, wird BP-NELL-PEG ein wirksames Instrument im Kampf gegen Knochenschwund und Muskel-Skelett-Degeneration sein, insbesondere in Situationen, in denen traditionelles Krafttraining aufgrund von Verletzungen oder anderen behindernden Faktoren nicht möglich ist.“
„Diese biotechnologische Strategie könnte auch hier auf der Erde wichtige Vorteile haben und eine potenzielle Therapie für Patienten bieten, die an extremer Osteoporose und anderen Knochenerkrankungen leiden“, sagte Co-Studienleiter Ben Wu.
„Im nächsten Schritt wird der UCLA-Projektwissenschaftler Pin Ha, MD, PhD, MS, die Analyse der Daten zur Rückkehr lebender Tiere beaufsichtigen. Wir hoffen, dass dies Aufschluss darüber geben wird, wie wir zukünftigen Astronauten helfen können, sich von längeren Weltraummissionen zu erholen.“