Biochemiker untersuchen, wie sich das menschliche Skelett regeneriert – mit und ohne Erdanziehungskraft

Vom Boden aus könnte man denken, der Pilot sei betrunken: Ein Flugzeug steigt im steilen Winkel in den Himmel, kippt nach wenigen Sekunden in den Sturzflug, rast die gleiche Strecke nach unten, macht eine Kehrtwende und beginnt wieder von vorn. 32 Mal hintereinander. Das permanente Auf und Ab hat einen seriösen Hintergrund: Die geflogenen Schlangenlinien, so genannte Parabeln, dienen der Wissenschaft. Im Übergang zwischen Steig- und Sinkflug ist die Erdanziehungskraft aufgehoben – das Flugzeug befindet sich in der Schwerelosigkeit. Innerhalb dieser 22 Sekunden lassen sich Experimente durchführen, die sonst nur im Weltall stattfinden können. Die Plätze für die seltenen Zero-G-Flüge – das G steht für Gravitation, die Erdanziehungskraft – sind entsprechend begehrt. Einen davon konnte jetzt das Institut für Biochemie der Freien Universität Berlin ergattern: Das Team um Professorin Petra Knaus nahm Ende Mai an den diesjährigen Parabelflügen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) teil.

Die acht Wissenschaftler untersuchen die biochemische Seite des Knochen- und Knorpelwachstums im menschlichen Körper. „Wir wollen Knochen machen“, erklärt Petra Knaus das Ziel ihrer Forschungen. Im Vordergrund steht die Regeneration des Knochengewebes. Ihr Ansatz stammt aus der Medizin: „Es gibt einen hohen Prozentsatz an Knochenbrüchen, die über Monate und Jahre nicht heilen“, sagt die Biochemikerin. Der Grund für die verminderte Regenerationsfähigkeit ist bis heute unbekannt. „Wir gehen davon aus, dass die Ursachen im gestörten Knochenaufbau liegen“, sagt Knaus. Gemeinsam mit Medizinern wollen die Wissenschaftler Möglichkeiten finden, die Knochenheilung zu stimulieren. Auf Basis ihrer Grundlagenforschung sollen langfristig Medikamente entwickelt werden, die den Knochenaufbau beschleunigen. „Der Prozess bis zur erfolgreichen Therapie dauert natürlich Jahre“, sagt Knaus. „Noch stehen wir ganz am Anfang.“

Knochen sind keine festen Gebilde. Sie werden laufend ab- und wieder aufgebaut. Zuständig für den Knochenaufbau sind spezialisierte Zellen, die sich aus undifferenzierten Bindegewebszellen entwickeln: Diese so genannten Osteoblasten lagern sich hautschichtartig am Knochen an und bilden die Grundlage für neue Knochensubstanz. Damit Osteoblasten entstehen, ist ein spezieller Botenstoff nötig, der Wachstumsfaktor BMP (Bone Morphogenetic Protein). Dieser Stoff ist für Petra Knaus’ Team tägliches Arbeitsmaterial.

Die Abläufe beim Wachstum gesunder Knochen sind weitgehend erforscht: „In den letzten Jahren haben wir viele der molekularen Schritte identifiziert“, sagt die Wissenschaftlerin. Dockt der Wachstumsfaktor BMP an Rezeptoren auf der Außenwand der Zelle an, werden im Inneren Signale ausgelöst, die im Zellkern bestimmte Gene an- oder abschalten. Die Folge: Die Zelle entwickelt sich zur Knochen- oder zur Knorpelzelle, wird im Wachstum gestoppt, oder es wird gezielt der Zelltod eingeleitet.

Die einzelnen biochemischen Schritte bis zur fertigen Knochenzelle lassen sich im Labor exakt messen. „Jetzt wollen wir verstehen, was im Körper unter normalen und unter pathologischen Bedingungen, also im Krankheitsfall, passiert“, sagt Knaus. Den Defekt, der das Knochenwachstum verzögert, vermutet die Biochemikerin in der Signalübertragung zum Zellkern. Ob ihre These richtig ist, soll in den nächsten Monaten eine Reihe von Experimenten zeigen. Einen Teil der Erkenntnisse wird die Auswertung der Parabelflüge liefern.

An der diesjährigen Parabelflug-Kampagne des DLR in Köln nahmen 22 Wissenschaftsteams teil. Die Zellen der Biochemiker der Freien Universität flogen bei zwei Versuchsanordnungen anderer Universitäten mit. „So waren wir in der glücklichen Situation, dass wir zwei Fragestellungen gleichzeitig auf den Grund gehen konnten“, sagt Knaus. Der Versuchsaufbau von Oliver Ullrich, Immunologie-Professor an der Universität Magdeburg, soll zeigen, wie Osteoblasten die Schwerelosigkeit generell überleben. Das Experimentmodul des promovierten Biologen Markus Braun, der für die Universität Bonn die Auswirkungen fehlender Erdanziehungskraft auf das Wurzelwachstum von Pflanzen untersucht, ermöglicht die Beobachtungen molekularer Vorgänge in den späteren Knochenzellen: „Durch den speziellen Versuchsaufbau konnten wir testen, ob und wie sich die Bindung des BMP an den Rezeptor und die frühe Antwort darauf in den Zellen durch Schwerelosigkeit verändert“, erklärt Knaus.

Insgesamt haben die Versuchszellen der Biochemiker der Freien Universität Berlin drei komplette Parabelflüge absolviert und waren dabei insgesamt knapp 40 Minuten der Schwerelosigkeit ausgesetzt. Und nicht nur sie: Auch Doktorandin Christina Sieber war während der gesamten Zeit mit an Bord. „Der Übergang in die Schwerelosigkeit fühlt sich an, wie wenn man mit einem Auto über eine Kuppe fährt: Der Magen hebt sich. Aber nach zwei-, drei Mal hat man sich daran gewöhnt“, erzählt sie. Nach einer medizinischen Tauglichkeitsprüfung im Vorfeld hatte die Nachwuchswissenschaftlerin gemeinsam mit den Kooperationspartnern der anderen Universitäten zwei Wochen trainiert. „Es kann immer passieren, dass während des Fluges schnell etwas repariert werden muss – bei uns ist aber alles glatt gegangen“, sagt sie. Auch die Pille gegen Übelkeit hat gewirkt. „Wir hatten zwar in den 90 Sekunden vor und nach den Parabeln alle Hände voll zu tun, die Zero-G-Tests selbst liefen aber automatisch ab. So konnten wir die Schwerelosigkeit ungestört genießen.“ Und zusätzlich den anderen Wissenschaftlern über die Schulter gucken – als Hintergrundwissen für künftige eigene Experimente.

Bis Ende Juni sollen die Ergebnisse der Parabelflüge ausgewertet sein. Danach – wenn die Finanzierung klappt – stehen eine Reihe an „Ground Based“-Experimenten auf dem Programm: Testanordnungen am Boden, die durch ständiges Drehen, Schütteln oder Zentrifugieren der Zellen die Aufhebung der vertikalen Schwerkraft simulieren.

„Parabelflüge sind eine interessante Möglichkeit, den Einfluss von Schwerelosigkeit zu messen“, sagt Knaus. Allein aus der Auswertung der Parabelflüge will sie aber noch keine Aussage über physiologische Prozesse treffen. „Der Mensch war während seiner gesamten Evolution einer konstanten Kraft ausgesetzt, der Erdanziehungskraft“, erläutert sie. „Niemand weiß, was passiert, wenn wir diesen Stimulus ausschalten oder stören.“ Erst wenn die Ergebnisse aller Experimente – in der Luft und auf der Erde – wie Puzzleteilchen zueinander passen, will die Wissenschaftlerin konkrete Beziehungen zwischen Schwerelosigkeit und Knochenwachstum herstellen.

Unabhängig davon, ob man die Ergebnisse der Schwerelosigkeit eins zu eins auf die Erde übertragen kann – wissenschaftlich relevant sind sie schon jetzt. Astronauten leiden nach mehrwöchigen Aufenthalten im Weltall an erheblichem Knochen- und Muskelschwund. „Zu verstehen, welche Mechanismen im All auftreten, hilft uns auch auf der Erde weiter“, sagt Knaus. Zumal bettlägerige Patienten, die ihre Muskeln nicht trainieren können, ganz ähnliche Symptome zeigen.

Die Erkenntnisse der Parabelflüge werden im Rahmen eines neu gegründeten Forschungszentrums genutzt: Im BCRT – Berlin Center of Regenerative Therapy – haben sich Mediziner der Charité, Wissenschaftler der Berliner und Potsdamer Universitäten sowie verschiedener Forschungsinstitute zusammengeschlossen, um unter anderem Biomaterialien zu entwickeln, die in der Behandlung von Gewebe-Regeneration eingesetzt werden können. Die Biochemiker der Freien Universität Berlin sind bei diesem Projekt für die Grundlagenforschung zuständig.

Die Chancen stehen also gut, dass es eine Fortsetzung der Parabelexperimente geben wird. Dann soll ein größerer Teil des Teams von Petra Knaus mitfliegen: „Die Tauglichkeitsprüfung haben auf jeden Fall alle, die sich angemeldet hatten, mit Bravour bestanden.“

Von Marion Jüstel