SPACEPATHWAY-2: Effekte der Schwerelosigkeit auf die Sphäroidbildung humaner Zellen sowie auf Wundheilung und kardiovaskuläres System

Abstract

Die Teilnahme an der Weltraummission SUTURE in SPACE (SiS) zur Erforschung der Wundheilung im Weltraum sowie an vier Parabelflugkampagnen (PFCs, 2021-2024) waren für unsere Forschung bedeutende Meilensteine. Für die Krebsforschung als auch für das ‚Tissue Engineering‘ bietet Mikrogravitation (µg) eine einzigartige Umgebung, in der humane Zellen Morphologie, Metabolismus und Gen-/Proteinexpressionen verändern, die zum einen zum ‚scaffold‘-freien dreidimensionalen (3D)-Wachstum (Sphäroid-Bildung), zum anderen zu einer verringerten Aggressivität von Tumorzellen führen. Die Mechanismen hinter diesen Veränderungen gilt es zu verstehen, um neue Ansätze für Krebstherapien sowie für die Gewebezüchtung zu entwickeln. Das SiS-Experiment (SpX 26) untersuchte erstmals das Verhalten und die Heilung von ex vivo Wundmodellen (Haut, Vene) in µg. Das neue Ex-vivo-Gewebekultursystem, ermöglicht es, menschliche Haut- und Venenproben 5 Wochen lang lebens-fähig zu halten. In den Geweben in der Nähe der Wunde wurden mit der Wundheilung verbindende Ereignisse beobachtet, nämlich Veränderungen der EZM. Apoptose war nur minimal in den Endothelzellen bei kleinen Gefäßen nachweisbar. Es wurden Unterschiede zwischen ISS- und Kontrollproben festgestellt. Die Anwendung von simulierter µg bietet neue Ansätze für die Knorpelzüchtung. Die Exposition von Knorpelzellen auf der RPM und RVW führte zur Bildung von 3D Knorpelstückchen und bietet daher neue Möglichkeiten für das Engineering von Knorpel. Darüber hinaus untersuchten wir auch Tumorzellen auf der RPM. Die RPM-Exposition von PC-3-Zellen induzierte Veränderungen der Morphologie, des Zytoskeletts, der EZM, des fokalen Adhäsions-komplexes sowie des Wachstumsverhaltens. Die signifikante Hochregulation von Genen, die zum PAM (PI3K/AKT/mTOR)-Signaltransduktionsweg gehören, deutet auf dessen Beteiligung an den durch µg-induzierten Veränderungen hin. Die Ergebnisse der 37. DLR-PFC zeigten, dass Prostatakarzinom (PK)-zellen durch Zytokinexpression frühzeitig auf Gravitationsänderungen, die bei PFs auftreten, reagieren. Diese Erkenntnisse könnten unser Verständnis bzgl. des PKs weiter verbessern und zur Entwicklung neuer Diagnosetools beitragen. Neue Daten im Bereich Wundheilung im Weltraum, über Tumorzellen in µg und die Entdeckung von neuen Targets und Biomarker für Diagnostik und Therapie sowie über das 3D-Gewebewachstum in der Schwerelosigkeit können sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch für die translationale regenerative Medizin von großem Nutzen sein. The participation in the SUTURE in SPACE (SiS) space mission to investigate wound healing in space, as well as in four parabolic flight campaigns (PFCs, 2021-2024), were significant milestones for our research. For both cancer research and tissue engineering, microgravity (µg) offers a unique environment in which human cells alter their morphology, metabolism, and gene/protein expression, leading to scaffold-free three-dimensional (3D) growth (spheroid formation) and reduced tumor cell aggressiveness. Understanding the mechanisms behind these changes is essential to develop new approaches for cancer therapies and tissue engineering. The SiS experiment (SpX 26) was the first to investigate the behavior and healing of ex vivo wound models (skin, vein) in µg. The new ex vivo tissue culture system allows human skin and vein samples to be maintained viable for 5 weeks. Events associated with wound healing, namely changes in the ECM, were observed in the tissues near the wound. Apoptosis was only minimally detectable in the endothelial cells of small vessels. Differences were observed between ISS and control samples. The application of simulated µg offers new approaches for cartilage engineering. Exposure of cartilage cells to the random positioning machine (RPM) and rotating wall vessel (RVW) led to the formation of 3D cartilage fragments and thus offers new opportunities for cartilage engineering. In addition, we also investigated tumor cells on the RPM. RPM-exposure of PC-3 cells induced changes in morphology, cytoskeleton, ECM, focal adhesion complex, and growth behavior. The significant upregulation of genes belonging to the PAM (PI3K/AKT/mTOR) signaling pathway suggests its involvement in µg-induced changes. Results from the 37th DLR-PFC demonstrated that prostate cancer (PC) cells respond early to gravitational changes that occur during PFs through cytokine expression. These findings could further improve our understanding of PC and contribute to the development of new diagnostic tools. New data in the field of wound healing in space, on tumor cells in µg, and the discovery of new targets and biomarkers for diagnostics and therapy, as well as on 3D tissue growth in microgravity, could be of great benefit in both basic research and translational regenerative medicine.