Mikroskopie im Weltraum-Satelliten Mikroskop untersucht Alterung von Zellen im Weltall

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Ein studentisches Team aus verschiedenen Schweizer Hochschulen will untersuchen, wie sich der Alterungsprozess beim Menschen im Weltraum verändert. Dafür wird eine Satellitenplattform konzipiert. Das Herzstück davon bildet ein Fluoreszenzmikroskop, bestückt mit einem Mikrofluidik-Chip und einer hochauflösenden USB3-Kamera der uEye-XLE-Familie.

Die Bedeutung der Weltraumforschung nimmt zu, immer mehr Astronauten tummeln sich im All. Doch welche Auswirkungen hat die Schwerelosigkeit auf die Alterung des menschlichen Körpers? Wie entwickeln sich bestimmte Zellen unter Milli- und Mikrogravitationsbedingungen, so wie sie auf kleinen Monden und Asteroiden herrschen? Das Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE) widmet sich dieser Forschungsaufgabe. Ein studentisches Team aus verschiedenen Schweizer Hochschulen (Akademische Raumfahrt Initiative Schweiz ARIS) will untersuchen, wie sich der Alterungsprozess beim Menschen im Weltraum verändert und wie die zelluläre Seneszenz die Entwicklung des Alterns und altersbedingter Störungen beeinflusst. Aktuell konzipieren die jungen Forscher den Aufbau einer Satellitenplattform für ein entsprechendes biologisches Experiment, das extremen Anforderungen genügen muss. Das vollautomatische System soll unter den erforderlichen Weltraumbedingungen als langlebiges Testfeld dienen und als Zentrifuge für die zu untersuchenden menschlichen Zelllinien fungieren. Das Herzstück dieser CubeSat-Lösung bildet ein Fluoreszenzmikroskop, bestückt mit einem Mikrofluidik-Chip und einer hochauflösenden USB3-Kamera der uEye-XLE-Familie.

Zuverlässiges und kompaktes Fluoreszenzmikroskop benötigt

Im menschlichen Körper finden auf zellulärer Ebene Alterungsprozesse statt, die als Seneszenz bezeichnet werden. Dies ist ein Phänomen, bei dem Zellen aufhören, sich zu teilen, und Entzündungsfaktoren absondern. «Aufbauend auf Forschung der NASA und vieler weiterer Gruppen weltweit besteht Grund zur Annahme, dass Zellen in Schwerelosigkeit langsamer altern als auf der Erde. Messbar ist dieser Effekt durch bestimmte Proteine und mRNA, welche bei Zellalterung ausgesendet werden. Messenger RNAs (mRNAs) haben sich als wesentliche Faktoren herausgestellt, die zur zellulären Seneszenz beitragen oder diese verhindern. Mit einem Fluoreszenz-Marker kann diese mRNA markiert werden und mit dem richtigen Licht bestrahlt wird sie zum Leuchten gebracht. Das komplette Experiment wird über eine Dauer von zwei Monaten in einem Volumen von nur 10 cm³ durchgeführt. «Um die notwendigen Prozesse unter diesen Bedingungen zu messen und zu analysieren, brauchen wir ein besonders zuverlässiges und kompaktes Fluoreszenzmikroskop», erklärt Sage Payload Engineer Jonas Schlör.

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Für die Labortests wurde in dem Mikro­skop eine U3-38J1XLE-C-HQ verwendet. Die Kamera erfasst fluoreszente mRNA von menschlichen Zellen, die sich auf einem Mikro­fluidik-Chip befinden.

Labor auf dem Chip

Mikrofluidische Chips ermöglichen die Miniaturisierung und Integration komplexer Laborfunktionalitäten auf einem einzigen Chip. Dies spart Platz und reduziert den Probenbedarf. Mikrofluidische Chips enthalten eingravierte oder geformte Mikrokanäle, durch die die zu analysierende Flüssigkeit fliessen kann. Der Einsatz von mikrofluidischen Kanälen ermöglicht Proben in sehr geringen Volumina. Durch die hohe Auflösung der Kamera mit dem Rolling Shutter Sensor IMX415 von Sony können einzelne Zellen voneinander unterschieden werden. Besonders die hohe Pixeldichte des Sensors ermöglicht es, einzelne Zellen mit einem Durchmesser von nur 15 μm darzustellen. Eine blaue LED regt die Zellen in einem Mikrofluidik-Chip an. Diese emittieren je nach Seneszenzrate unterschiedlich starkes grünes Licht. Ein optischer Filter lässt nur das grüne Licht der Zellen durch das Objektiv auf die Kamera gelangen. Damit kann nicht nur die allgemeine Seneszenzrate der Zellen bestimmt werden, sondern auch die konkrete Anzahl lebender Zellen.

«Die gewonnenen Daten sind dadurch sehr aussagekräftig und wissenschaftlich relevant, da vergleichbare Forschung bisher so noch nicht durchgeführt wurde», erklärt Jonas Schlör. Ausserdem kann gleichzeitig auf eine komplexe Apparatur, welche sonst bei Fluoreszenzmikroskopen notwendig ist, verzichtet und viel Platz gespart werden. «Auch zeichnet sich die Kamera durch zahlreiche softwarebezogene Einstellungsmöglichkeiten wie beispielsweise Belichtungszeiten oder Farbfilter aus, wodurch über den ganzen Designprozess hinweg eine hohe Flexibilität bewahrt werden kann.» Zudem muss sie den harten Anforderungen der äusseren Umgebung genügen. Dazu zählen unter anderem der Raketenstart mit seinen sehr intensiven Vibrationen und natürlich die Bedingungen im Orbit unter Vakuum und kosmischer Strahlung.

Kamera optimal in Embedded-Anwendung integrierbar

Mit 8,41 MPixel und 4K-Auflösung eignet sich die U3-38J1XLE Rev.1.1 für diese Form von Visualisierungsaufgaben ganz besonders. Mit dem Feature 2x2 Binning besteht bei Bedarf die Möglichkeit, die zu übertragende Datenmenge um den Faktor vier zu reduzieren und dadurch sowohl die Lichtempfindlichkeit als auch die Framerate zu erhöhen. Der Rolling Shutter Sensor IMX415 von Sony liefert hochauflösende Daten für detaillierte Bildauswertungen. Durch ihr extrem platzsparendes Design ist die IDS-Kamera optimal in diese Embedded-Anwendung integrierbar. Die Kamera wird von einem Mikrocontroller gesteuert, welcher die Daten noch auf dem Satelliten bearbeitet und komprimiert, woraufhin sie dann auf die Erde geschickt werden sollen. Die Software sowie die Kontrollalgorithmen werden von den Studierenden der Akademischen Raumfahrt Initiative Schweiz selbst entwickelt und getestet.

Die Anforderungen an das System bzw. den CubeSat sind hoch: Letzterer muss sowohl die Befestigungspunkte für die Subsysteme und Komponenten bieten als auch die strukturelle Stabilität des Satelliten gewährleisten – vom Einsetzen in seine Trägerrakete bis zum Ende seiner Lebensdauer. Sämtliche Komponenten müssen den von der Trägerrakete während des Aufstiegs erzeugten physikalischen Belastungen und später den Strahlungs- und Temperaturschwankungen im Weltraum standhalten und dabei so leicht wie möglich sein. Der Satelliten-Prototyp hat bereits erste erfolgversprechende Ergebnisse geliefert.

Ausblick: verschiedene Szenarien

Das Experiment ist auf drei Jahre ausgelegt. Auf der Grundlage der Forschungsergebnisse sind verschiedene Szenarien denkbar. Zunächst möchte man beispielsweise herausfinden, ob bestimmte Therapien das Wohlbefinden der Astronauten verbessern könnten. Doch seneszente Zellen können auch Treiber von diversen Erkrankungen sein, die vor allem im Alter den Menschen das Leben schwermachen – etwa Demenz, Arterio­sklerose, Diabetes und Arthritis. Darüber hinaus stehen sie im Verdacht, zur Tumorprogression beizutragen. Einer Studie zufolge kann auch SARS-CoV-2 ein Auslöser für Seneszenz sein – eine mögliche Erklärung für die anhaltenden Beschwerden bei Long Covid.

Das Swiss Artificial Gravity Experiment könnte interessante Ansätze für mögliche Therapien liefern. Immer mehr IDS-Kameras leisten damit einen Beitrag zur Gesundheitsförderung. «Ein Einsatzgebiet, das uns am Herzen liegt», unterstreicht IDS-Gründer und Eigentümer Jürgen Hartmann.

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