Präzise Zellmessungen in der Schwerelosigkeit 

Forschung in der Schwerelosigkeit liefert wichtige Hinweise darauf, wie sich der menschliche Körper im All verändert. Doch auf zellulärer Ebene fehlen oft präzise Messdaten. Besonders schwierig ist es, einzelne Zellprozesse unter Mikrogravitation zuverlässig zu untersuchen. «Konventionelle Systeme sind dafür oft zu gross, zu anfällig oder liefern unzuverlässige Daten», sagt Dr. Simon Wüest. Er muss es wissen. Der Forscher und Dozent am Institut für Medizintechnik war selbst schon auf Parabelflügen der ESA unterwegs. Dort führte er biologische Experimente in der Schwerelosigkeit durch. Extreme Bedingungen für die Wissenschaft: 

• Experimente müssen starke Beschleunigung aushalten, bevor für wenige Sekunden Schwerelosigkeit eintritt.
• Gleichzeitig erfordern Messungen an Zellen höchste Präzision.
• Besonders problematisch ist die stabile Positionierung feinster Elektroden, die für die Messung von elektrischen Strömen über die Zellmembran notwendig sind. 

Simon Wüest und seine Kolleg:innen der Hochschule Luzern – Technik & Architektur haben darum ein Mini-Messsystem entwickelt, das elektrophysiologische Experimente unter extremen Bedingungen ermöglicht. Das OoDrop-System ist kompakt, stabil und für kurze Messfenster optimiert. 

Die Innovation: so funktioniert das OoDrop-System 

Im Kern basiert OoDrop auf der etablierten Two-Electrode Voltage Clamp (TEVC)-Technologie. Diese misst elektrische Ströme über Zellmembranen und erlaubt Rückschlüsse auf die Aktivität von Ionenkanälen. Dabei wird sichtbar, wie stark und unter welchen Bedingungen Ionenströme durch die Zellmembran fliessen – ein zentraler Hinweis darauf, wie Zellen Reize verarbeiten und auf ihre Umgebung reagieren. 

Die Innovation liegt in der konsequenten Miniaturisierung und Anpassung an die Bedingungen der Mikrogravitation: 

• Vier vollständige Messsysteme passen in eine einzige Experimentkapsel.
• Elektroden lassen sich präzise in drei Dimensionen positionieren.
• Das System bleibt auch bei wechselnden Gravitationskräften stabil.
• Experimente, welche nur wenige Sekunden dauern, können automatisiert durchgeführt werden.
• Eine speziell entwickelte Elektronik übernimmt die Datenerfassung und Steuerung. 
• Die Messungen werden lokal gespeichert und gleichzeitig überwacht. 

Einsatz unter realen Bedingungen erfolgreich 

Das OoDrop-System kam im GraviTower Bremen zum Einsatz. Dort wird Mikrogravitation in einer präzis kontrollierten und geführten Parabel erzeugt – allerdings nur für wenige Sekunden. In dieser kurzen Zeit muss alles funktionieren: 

• Zellen werden zuvor vorbereitet und mit hauchdünnen Glaselektroden angestochen. 
• Messungen starten automatisch beim Eintritt in die Schwerelosigkeit. 
• Daten werden kontinuierlich und mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. 

Trotz dieser Einschränkungen konnten Simon Wüest und sein Team reproduzierbare Messungen durchführen. Das zeigt: Präzise Zellanalysen sind auch unter extremen Bedingungen möglich. 

Neue Möglichkeiten für Forschung und Anwendung 

Mit OoDrop steht nun ein Werkzeug zur Verfügung, das elektrophysiologische Experimente unter Mikrogravitation systematisch erlaubt. Im GraviTower Bremen wurden mit Hilfe von Froscheier der mechanosensitive Ionenkanal PIEZO1 untersucht. Dieser wurde als möglicher «Gravitationssensor» in Zellen diskutiert. Das Experiment mit OoDrop zeigte, dass PIEZO1 eher nicht direkt auf Mikrogravitation reagiert.  

Ein Erfolg war es trotzdem: Das neue Messsystem der HSLU erlaubt die Analyse einzelner Proteine unter realen Weltraumbedingungen. Das schafft eine Grundlage für zukünftige Experimente auf Raumstationen. Aber auch ein besseres Verständnis biologischer Mechanismen auf der Erde. «In Schwerelosigkeit können wir verstehen, wie die Schwerkraft unser Leben geformt hat», sagt Simon Wüest.