Biomedizinische Forschung im Weltraum CC Aerospace Biomedical Science & Technology Center Dr. Marcel of Competence Egli in Aerospace Leiter Kompetenzzentrum Biomedical Science & Technology marcel.egli@hslu.ch Space www.hslu.ch/spacebio Biology Group Marcel Horw Egli ng/ml PRL FSH LH marcel.egli@hslu.ch www.hslu.ch/spacebio 0 diestrus proestrus estrus
Mechanobiologie von «Connexion», http://cnx.org/ Bewegungen einer isolierten äusseren Haarzelle zum Rhythmus von Bill Hailey s Song «Rock Around the Clock» Nobili, Mammano and Ashmore, How well do we understand the cochlea?, TINS 1998 (Länge der Zelle = 0.1 mm) Folie 2, 07.04.2014
Druckempfindliche Körperstellen Gehör Gleichgewichtsorgan Knochen Lunge (zyklische Dehnung, Blutdruck) Teeth Herz (Blutdruck) Organe Muskeln und Sehnen Hearing Berührung Knorpel Propriozeption (Eigenempfindung) Folie 3, 07.04.2014
Gesundheit und mechanische Stimulation Normale mechanische Stimulation: Zell- oder Gewebewachstum Genexpression Proteinsynthese Gewebedifferentiation Unterhalt der Gewebe Abnormale mechanische Stimulation: Osteoporose Arthrose Sehnenreizungen Atherosclerose (Arterienverkalkung) Es ist noch immer unklar, wie die Zellen mechanische Kräfte wahrnehmen und diese Information in eine entsprechende biologische Reaktion umwandeln Folie 4, 07.04.2014
Leben ohne Schwerkraft: Muskelschwäche A Altersbedingter Muskelschwund (Sarcopenia) Wadenmuskelschwund von Astronauten im Weltraum B Aus Artificial Gravity Clément and Bukley Credits: ESA MRI Bilder des Wadenmuskels aufgenommen vor (A) und nach (B) 90 Tage Bettruhe (ESA-LTBR 2001-1) Credits: ESA Folie 5, 07.04.2014
Leben ohne Schwerkraft: Osteoporose Normaler Knochen Osteoporose Knochen Folie 6, 07.04.2014
Forschungsstation im Weltraum Transport und Installation des Columbus Moduls Folie 7, 07.04.2014
Columbus Weltraumlabor Technische Daten: Länge 7 m Durchmesser 4.5 m Masse 10 300 kg Folie
Plattformen zur Schwerelosigkeits-Simulation/Erzeugung Parabolic flights Sounding rockets Random Positioning Machine Forschungsplattformen Drop Tower Parabelflüge Sounding Rockets RPM Schwerelosigkeitsphase 4.7s (drop mode) 9.3s (catapult mode) 20s / Parabel Mehrere Minuten Tage - Wochen Drop tower Parabolic flights Schwerelosigkeitsqualität 10-6 10-2 10-4 10-4 10-5 10-3 Anzahl Kampagnen Täglich 2x / Jahr 1 2x / Jahr Keine Restriktion Interaktionsmöglichkeit Hoch Mittel Gering Hoch Folie 9, 07.04.2014
Parabelflüge Airbus A300 A Parabelflüge mit dem Northrop F-5E Tiger II der Schweizer Luftwaffe. A) Ansicht beim Einbau, B) Detailansicht http://www.novespace.fr B Studer et al. 2011 Folie 10, 07.04.2014
Höhenforschungsraketen Andøya Rocket Range Norwegen Esrange Rocket Range Schweden mg Periode (Minuten) Payload Durchmesser (cm) Payload Länge (m) Payload Masse (kg) Rotationsrate (Hz) Minitexus 3-4 43.8 1 100 5 Texus 6 43.8 3.4 260 3-4 Maser 6 43.8 3.4 260 3-4 Maxus 12.5 64.0 3.8 480 < 0.5 Folie 11, 07.04.2014
Schwerelosigkeitssimulator Random Positioning Machine RPM des CC Aerospace Biomedical Science & Technology Wüest et al. 2013 Verteilung des lokalen Gravitationsvektors während des Betriebes der Random Positioning Machine Folie 12, 07.04.2014
Erzeugung von partieller Gravitation [%] 90 Aktivierungsprozesse der T-Zellen 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 G ctrl Day 1g 4 0.6 rpm G 0.6g Day 2 0.4 rpm G 0.4g Day 0.2 rpm G 0.2g Day 0 rpm G New 0g 3 4 Day 1 Benavides Damm et al., 2013 0 G old Day 1 Planet Mass [kg] Radius [m] Acceleration due to gravity, g [m/s²] 0 Sun G old 1.99 x 10 30 6.96 x 10 8 274.13 27.95 Mercury day 4 3.18 x 10 23 2.43 x 10 6 3.59 0.37 Venus 4.88 x 10 24 6.06 x 10 6 8.87 0.90 g / g Earth Earth 5.98 x 10 24 6.38 x 10 6 9.81 1.00 Moon 7.36 x 10 22 1.74 x 10 6 1.62 0.17 Mars 6.42 x 10 23 3.37 x 10 6 3.77 0.38 Cogoli et al., 1984 Jupiter 1.90 x 10 27 6.99 x 10 7 25.95 2.65 Saturn 5.68 x 10 26 5.85 x 10 7 11.08 1.13 Uranus 8.68 x 10 25 2.33 x 10 7 10.67 1.09 Neptune 1.03 x 10 26 2.21 x 10 7 14.07 1.43 Folie 13, 07.04.2014 Aerospaceweb.org
Weltraum-Apparaturen des Kompetenzzentrums Electrophysiology Hardware in flight configuration Digital Holographic Microscope (DHM) 3D image Fluorescence image Culture Chambers Folie 14, 07.04.2014
Weltraum-Bioreaktoren der Gruppe Bioreactor SBR I (1994) SBR II (1996) Gradient Bioreactor ESA Study (2003-2004) sampler shock chamber YSTRES (2003) manual Experiment lost (Space Shuttle Columbia disaster) Test of the automation SACESTRE - phase B (2011) Folie 15, 07.04.2014
Folie 16, 07.04.2014 Aussicht aus einer Höhe von 42 km