Foto: Scott Kelly

Mehr als 200 Wissenschaftler aus Dutzenden akademischen, staatlichen und industriellen Institutionen und Unternehmen sowie aus der Luft- und Raumfahrt erstellten die Forschungsarbeiten auf Grundlage des bislang größten Satzes an Astronauten- und weltraumbiologischen Daten, der jemals produziert wurde. Darüber hinaus manifestieren die wissenschaftlichen Arbeiten die einzigartige Zusammenarbeit zwischen den vier größten Raumfahrtbehörden: NASA (USA), JAXA (Japan), ESA (Europa) und ROSCOSMOS (Russland).

Das Universitätsklinikum Tübingen ist mit sieben Publikationen von Daniela Bezdan als Erst-Autorin und Co-Autorin der Publikationen im Bereich Biologie, Medizin, Mikrobiologe und Data Management beteiligt. Sie ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Virologie und Epidemiologie der Viruskrankheiten des Uniklinikums. Im Fokus der Hauptstudie von Daniela Bezdan stehen genomisch gesammelte Daten, die Rückschlüsse auf den Einfluss von Strahlung und Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper zulassen sowie detaillierte Informationen über die biochemischen Profile von 56 Astronauten geben. Diese Anzahl entspricht 10 Prozent aller Astronautinnen und Astronauten, die jemals im Weltraum waren. In der Studie werden die Auswirkungen der Raumfahrt auf den menschlichen Körper beschrieben und darüber hinaus mögliche Präventions- und Behandlungsansätze aufgezeigt, die einen längeren Weltraumflug, wie z.B. eine Mission zum Mars, ermöglichen könnten.

„Die Weltraumforschung wächst und entwickelt sich schnell. Die Fortschritte, die wir in den letzten Jahren in der Raumfahrtmedizin und Weltraumbiologie gemacht haben, sind bemerkenswert“, so Daniela Bezdan. „Unsere Ergebnisse über verlängerte Telomere – die Schutzkappen an den Chromosomenenden – bei Astronauten im Weltraum erstaunt uns noch immer. Außerdem könnte unsere Arbeit den Wendepunkt bei der Überwachung der Gesundheit der Astronauten im Weltraum mittels ´liquid biopsy` im Blut darstellen: Exosomen und zellfreie DNA sind winzige Biomarker im Blut, die jederzeit vor Ort auf der ISS auf nicht-invasive Weise gewonnen werden könnten. Damit können wir nicht nur die menschliche Gesundheit im All überwachen, sondern auch in Ausnahmesituationen auf der Erde“, erklärt die 42-jährige Wissenschaftlerin.

Hintergrund dessen sind die Ergebnisse der NASA-Zwillingsstudie zu den beiden Astronauten Scott und Mark Kelly, bei der zwischen 2014 und 2019 die genetischen, physiologischen und verhaltensspezifischen Merkmale bei den eineiigen Zwillingen vor, während und nach Scotts einjähriger Mission im Weltraum untersucht wurden. Mark Kelly, der vor kurzem gewählt wurde, um Arizona im US-Senat zu vertreten, blieb während der Mission auf der Erde. Das Ergebnis der Studie: Scotts Körper unterlag sowohl während seines Aufenthalts im Weltraum als auch nach seiner Rückkehr zur Erde Tausenden molekularen und physikalischen Veränderungen. Beispielsweise verlängerten sich die Telomere im Weltraum, nach der Rückkehr zur Erde wurden sie hingegen wieder kürzer. Verlängerte Telomere werden mit einem längeren Leben in Verbindung gebracht.
Dr. Christopher Mason, Co-Autor und Professor an der US-amerikanischen Forschungseinrichtung Weill Cornell Medicine in New York City, fügt hinzu: „Wir können nun damit beginnen, auf molekularer und zellulärer Ebene über längerfristige Missionen nachzudenken, und auch darüber, welche Medikamente, Gegenmaßnahmen und Therapien eingesetzt werden könnten, um die gesundheitlichen Risiken für Astronauten zu minimieren.“

Daniela Bezdan vom Universitätsklinikum Tübingen und ihre Kollegen in den USA konnten aufzeigen, dass die Raumfahrt zu einer erhöhten Konzentration von DNA aus den Mitochondrien im Blutplasma führt. Darüber hinaus beeinflusst sie die Exosomen im Blutplasma, kleine Vesikel, die Moleküle wie DNA und Proteine transportieren. Da Mitochondrien für die Versorgung der Zellen mit Energie zuständig sind, könnte ein erhöhter Stresslevel bei langem Aufenthalt in der Schwerelosigkeit zu der beobachteten Konzentrationserhöhung geführt haben. Die hierzu verwendete Technologie zur Messung der sogenannten zellfreien DNA im Plasma wird derzeit auch zur nicht-invasiven Diagnose von Krebserkrankungen sowie zur Überwachung von transplantierten Organen im Universitätsklinikum Tübingen und der Weill Cornell Universität erprobt.

„Ich sehe in der Weltraumforschung die Gelegenheit, mit einem exzellenten internationalen Team an wissenschaftlichen und medizinischen Themen zu arbeiten, die nicht nur im Weltraum relevant sind, sondern auch hier auf der Erde. Deshalb engagiere ich mich, den Standort Deutschland in der Weltraumforschung voranzutreiben, insbesondere in der Mikrobiologie“, so Daniela Bezdan abschließend. Neben ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit in der Tübinger Virologie repräsentiert Daniela Bezdan das Universitätsklinikum und Deutschland als eine von drei gewählten Koordinatoren verschiedener Organisationen in der Weltraumforschung: NASA Genelabs Microbiome, Topical Teams ESA Space Omics TT und bei ISSOP – International Standards of Space Omics Procedure zusammen mit Mitgliedern aus NASA (USA), JAXA (JAPAN) und ESA (EUROPA).

Das NCCT Tübingen: Künftig wird die Wissenschaftlerin am NGS Competence Center Tübingen (NCCT) tätig sein. Das NCCT ist eines von vier DFG-finanzierten nationalen Sequenzierzentren für Hochdurchsatz-Sequenzierung. Das Zentrum bietet automatisierte Probenvorbereitung und ein breites Portfolio an neuesten Sequenziertechnologien. Ergänzt wird dies durch die bereits etablierte Struktur als Core Facility, die vorhandene Infrastruktur für das Datenmanagement sowie die Unterstützung der Bioinformatik.

Originalpublikation: Cell-free DNA (cfDNA) and exosome profiling from a year-long human spaceflight reveals circulating biomarkers. Daniela Bezdan, Kirill Grigorev, Cem Meydan, Fanny A. Pelissier Vatter, Michele Cioffi, Varsha Rao, Kiichi Nakahira, Philip Burnham, Ebrahim Afshinnekoo, Craig Westover, Daniel Butler, Chris Moszary, Matthew MacKay, Jonathan Foox, Tejaswini Mishra, Serena Lucotti, Brinda K. Rana, Ari M. Melnick, Haiying Zhang, Irina Matei, David Kelsen, Kenneth Yu, David C Lyden, Lynn Taylor, Susan M Bailey, Michael P.Snyder, Francine E. Garrett-Bakelman, Stephan Ossowski, Iwijn De Vlaminck, Christopher E. Mason doi: https://doi.org/10.1101/2020.11.08.373530

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