Mondstaub unter der Lupe: Künstliches Atemwegsmodell zeigt mögliche Risiken für künftige Mondmissionen
Forschende aus Magdeburg entwickeln ein menschennahes 3D-Modell der
Atemwege und untersuchen erstmals, wie Mondstaub die Schutzmechanismen der
Lunge beeinflusst.
Wie reagiert die menschliche Lunge auf Staub vom Mond? Dieser Frage ist
ein interdisziplinäres Forschungsteam unter Beteiligung der
Universitätsmedizin Magdeburg nachgegangen. Die Ergebnisse wurden in der
Fachzeitschrift Trends in Biotechnology veröffentlicht. Die Forschenden
entwickelten ein dreidimensionales Modell menschlicher Bronchien und
konnten zeigen, dass simulierter Mondstaub die natürlichen
Reinigungsmechanismen der Atemwege stärker beeinträchtigt als Feinstaub,
wie er auf der Erde vorkommt.
Die Ergebnisse sind für die geplanten langfristigen Mondmissionen der
kommenden Jahre und einer perspektivischen Mondbasis von Bedeutung.
Bereits Astronautinnen und Astronauten der Apollo-Missionen berichteten
nach dem Kontakt mit Mondstaub über Beschwerden, die an Heuschnupfen
erinnerten. Bis heute ist jedoch nur unzureichend verstanden, wie sich
Mondstaub auf die menschliche Gesundheit auswirkt.
Warum Mondstaub etwas Besonderes ist
Mondstaub unterscheidet sich deutlich von Staubpartikeln auf der Erde.
Seine Körner besitzen scharfe Kanten, sind besonders grob und enthalten
chemische Bestandteile, die auf den menschlichen Körper anders wirken
können als gewöhnlicher Feinstaub.
Für die Untersuchungen nutzten die Forschenden ein künstlich erzeugtes
Modell menschlicher Atemwege. Dieses besteht aus menschlichen Zellen, die
auf einem biologischen Gerüst wachsen und dabei viele Eigenschaften echter
Bronchien nachbilden. Dazu gehören unter anderem die Schleimproduktion und
die Bewegung winziger Flimmerhärchen. Diese Härchen transportieren
eingeatmete Fremdstoffe normalerweise wieder aus den Atemwegen heraus.
Die Forschenden verglichen die Wirkung eines häufig verwendeten Mondstaub-
Ersatzmaterials mit der Wirkung von Feinstaubpartikeln der Größenklasse
PM10, wie sie beispielsweise durch Verkehr, Industrie oder Heizungen
entstehen können.
Schutzfunktion der Atemwege wird geschwächt
Die Untersuchungen zeigten, dass der simulierte Mondstaub bereits wenige
Stunden nach dem Kontakt Veränderungen im Atemwegsmodell auslöste. So
wurde zunächst vermehrt Schleim gebildet. Gleichzeitig nahm die
Beweglichkeit der Flimmerhärchen ab. Nach 72 Stunden sank deren
Schlagfrequenz von durchschnittlich etwa 10 Schlägen pro Sekunde auf rund
7 Schläge pro Sekunde. Dadurch könnten eingeatmete Partikel länger in den
Atemwegen verbleiben.
Auch die Stabilität der Zellschicht, die die Atemwege auskleidet und als
Schutzbarriere dient, wurde durch den Mondstaub beeinträchtigt. Zudem
fanden die Forschenden Hinweise auf Umbauprozesse im Gewebe, wie sie auch
bei chronischen Atemwegserkrankungen beobachtet werden können.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Mondstaub in den Atemwegen andere und
teilweise stärkere Reaktionen auslösen kann als Feinstaub von der Erde“,
sagt Dr. Marcus Krüger, Arbeitsgruppenleiter Umweltzellbiologie der
Forschungsabteilung Mikrogravitation und Translationale Regenerative
Medizin der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. „Das deutet darauf
hin, dass Erkenntnisse aus der Feinstaubforschung nicht ohne Weiteres auf
die Bedingungen auf dem Mond übertragen werden können“, so der Letztautor
der Studie.
Neue Möglichkeiten für die Raumfahrt- und Umweltforschung
Neu an der Studie ist vor allem das verwendete Untersuchungsmodell –
entwickelt durch das Forschungslabor der Abteilung Thoraxchirurgie an der
Universitätsmedizin Magdeburg. „Während viele frühere Arbeiten auf
Tierversuchen oder zweidimensionalen Zellkulturen beruhten, bildet das
Magdeburger 3D-Modell wichtige Funktionen menschlicher Atemwege deutlich
realistischer nach. Schleimbildung, Flimmerhärchen und die
Barrierefunktion des Gewebes können dadurch gleichzeitig untersucht werden
– Funktionen, die in vielen bisherigen Labormodellen nur eingeschränkt
darstellbar sind“, erklärt Laborleiterin Dr. Cornelia Wiese-Rischke.
Die Forschenden konnten außerdem zeigen, dass Mondstaub andere biologische
Reaktionen hervorruft als Feinstaub auf der Erde. In den Analysen fanden
sich elf Proteine, die ausschließlich nach Kontakt mit dem Mondstaub
nachweisbar waren. Diese standen vor allem mit Veränderungen des Gewebes
und den Verbindungen zwischen den Zellen in Zusammenhang.
Die Studie basiert auf mehreren unabhängigen Experimenten mit menschlichen
Atemwegszellen. Untersucht wurden Veränderungen innerhalb von vier bis 72
Stunden nach der Staubbelastung. Die Forschenden weisen jedoch darauf hin,
dass es sich zunächst um eine Pilotstudie handelt. Das eingesetzte
Mondstaub-Material ist zunächst ein dem Mond nachempfundener Ersatzstoff,
der die Eigenschaften echten Mondstaubs nur teilweise nachbildet. Der
Zugang zu originalem Mondmaterial ist weltweit stark reglementiert und nur
in sehr begrenzten Mengen möglich. Zudem enthält das Modell keine
Immunzellen, die bei Entzündungsreaktionen in der Lunge eine wichtige
Rolle spielen.
Die Ergebnisse liefern dennoch wichtige Hinweise für zukünftige
Raumfahrtmissionen. Sie könnten dazu beitragen, Grenzwerte für die
Belastung durch Mondstaub festzulegen und Schutzmaßnahmen für
Astronautinnen und Astronauten zu entwickeln. Darüber hinaus könnte das
entwickelte Modell auch auf der Erde eingesetzt werden, etwa zur
Untersuchung von Luftverschmutzung, Vulkanstaub oder anderen eingeatmeten
Partikeln.
„Unser Atemwegsmodell eröffnet die Möglichkeit, Gesundheitsrisiken durch
verschiedene Staubarten genauer zu untersuchen und dabei gleichzeitig den
Einsatz von Versuchstieren zu reduzieren“, sagt Prof. Dr. Thorsten Walles,
Chefarzt der Thoraxchirurgie.
In zukünftigen Studien wollen die Forschenden das Modell um weitere
Zelltypen ergänzen und längere Belastungszeiträume untersuchen. Außerdem
soll geprüft werden, wie echter Mondstaub, der nach künftigen Missionen
verfügbar werden könnte, auf menschliches Gewebe wirkt.
An der Forschung beteiligte Einrichtungen sind neben der
Forschungsabteilung Mikrogravitation und Translationale Regenerative der
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, die Universitätsklinik für Herz-
und Thoraxchirurgie Magdeburg, die Core Facility Tissue Engineering und
die Verfahrenstechnik der Universität Magdeburg, der Forschungsverbund
MARS (Magdeburger Arbeitsgemeinschaft für Forschung unter Raumfahrt- und
Schwerelosigkeitsbedingungen), die Aarhus University, Dänemark sowie das
Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg
Foto 1: Das an der Universitätsmedizin Magdeburg entwickelte
bioartifizielle Atemwegsmodell bildet wichtige Schutzfunktionen der
menschlichen Bronchien realitätsnah nach. Mithilfe des Modells
untersuchten die Forschenden, wie simulierter Mondstaub die
Schleimproduktion, die Bewegung der Flimmerhärchen und die
Barrierefunktion der Atemwege beeinflusst. Fotograf: Marcus
Krüger/Universitätsmedizin Magdeburg
Foto 2: Der Kommandant der Apollo 17, Eugene Cernan, kehrte 1972 von der
Mondoberfläche mit einer dichten Schicht aus feinem, scharfkantigem
Mondstaub (Regolith) bedeckt zurück. Der Staub setzte Raumanzügen und
Technik erheblich zu. Nachdem ein Kotflügel des Lunar Rovers beschädigt
worden war, reparierten Cernan und Harrison Schmitt ihn mit Mondkarten und
Klebeband – andernfalls hätte der aufgewirbelte Mondstaub die Sicht so
stark eingeschränkt, dass die Astronauten beim Fahren praktisch blind
gewesen wären. Zudem berichteten die Astronauten nach dem Kontakt mit dem
Staub über Niesen, tränende Augen und Halsreizungen – den sogenannten
„Mond-Heuschnupfen“. Quelle: NASA (gemeinfrei)
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Marcus Krüger, Arbeitsgruppenleiter Umweltzellbiologie,
Forschungsabteilung Mikrogravitation und Translationale Regenerative
Medizin, Medizinische Fakultät der Otto-von-Guericke-Universität
Magdeburg, E-Mail:
Originalpublikation:
Shannon Marchal, Patrick Hellwig, Carlotta Schmidt, Sascha Kopp, Daniela
Grimm, Heike Walles, Thorsten Walles, Cornelia Wiese-Rischke, Marcus
Krüger, A bioartificial 3D bronchial epithelial airway model to study
lunar hay fever on Earth, Trends in Biotechnology, 2026, DOI:
https://doi.org/10.1016/j.tibt
