15.11.2022

Künstlicher Winterschlaf soll vor kosmischer Strahlung schützen

Biophysiker untersuchen mögliche Strahlenresistenz für zukünftige Raumfahrer.

Noch ist es ein Blick in die Zukunft: Raumfahrer könnten in einen künstlichen Winterschlaf versetzt werden und in diesem Zustand besser vor kosmischer Strahlung geschützt sein. Aktuell gibt es bereits vielver­sprechende Ansätze, um solche Überlegungen weiterzuverfolgen. Entscheidende Anhalts­punkte für den möglichen Nutzen eines künstlichen Winterschlafs für die Strahlenresistenz hat jetzt ein inter­nationales Forschungsteam unter Federführung der Abteilung Biophysik des GSI Helmholtz­zentrums für Schwerionen­forschung in Darmstadt gefunden.

Abb.: Außenansicht des Schwerionen­synchrotrons in Darmstadt. (Bild: J....
Abb.: Außenansicht des Schwerionen­synchrotrons in Darmstadt. (Bild: J. Hosan, GSI)

Torpor nennen Forschende den Zustand, wie ihn auch Winterschlaf haltende Tiere eingehen. In diesem Zustand werden lebenserhaltende Funktionen eines Organismus zurück­gefahren: Die Körper­temperatur wird abgesenkt, der Stoffwechsel reduziert und Körperfunktionen wie Atem- und Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme werden deutlich verlangsamt. Auch auf molekularer Ebene werden die Genaktivität und die Protein­biosynthese auf ein langsameres Tempo reduziert. Nun haben die Wissen­schaftler biologische Effekte nachgewiesen, die darauf hindeuten, dass synthetischer Torpor die Resistenz gegenüber Strahlung erhöht. Ein Nachweis, der langfristig für Astronauten sehr nützlich sein könnte.

Denn kosmische Strahlung gilt als eines der größten Gesundheits­risiken für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Vor allem bei zukünftigen Langzeit­missionen stellen schädliche Auswirkungen der Weltraum­strahlung eine große Herausforderung dar. Der größte Teil der Strahlungsdosis, die dabei von den Besatzungen aufgenommen wird, wird durch galaktische kosmische Strahlung (GCR) erzeugt, das heißt durch hoch­energetische geladene Teilchen, einschließlich dicht ioni­sierender schwerer Ionen, die in fernen Galaxien entstehen. Die Energie dieser Teilchen ist so hoch, dass die Abschirmung des Raumfahrzeugs sie nicht aufhalten kann und zu einer Strahlen­belastung führt, die über einen sehr langen Zeitraum mehr als zweihundertmal höher ist als die Hintergrund­strahlung auf der Erde. Deshalb wird für künftige Missionen nach geeigneten Strahlungs­schutzmaßnahmen geforscht.

„Die Zusammenhänge zwischen Torpor und Strahlen­resistenz stellen einen hoch innovativen Forschungs­ansatz dar. Unsere aktuellen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass synthetische Torpor ein vielver­sprechendes Instrument zur Verbesserung des Strahlen­schutzes im lebenden Organismus während einer langfristigen Weltraum­mission ist. Er könnte somit eine effektive Strategie zum Schutz des Menschen bei der Erforschung des Sonnen­systems darstellen“, fasst der Leiter der GSI-Abteilung Biophysik, Marco Durante, zusammen.

Zwar ist bereits bekannt, dass Tiere, die natür­lichen Winterschlaf halten, in diesem Zustand eine Strahlenresistenz erwerben. Doch die aktuelle Studie ist deshalb so bedeutsam, weil nun zum ersten Mal bei nicht Winterschlaf haltenden Tieren (Ratten) ein biologischer Zustand, der dem Winterschlaf ähnlich ist, herbeigeführt wurde und eine Strahlen­resistenz gegenüber hochener­getischen Schwerionen nachgewiesen werden konnte. In Experimenten am japanischen Gunma University Heavy-ion Medical Center wurden beschleunigte Kohlenstoff-Ionen zur Simulation der Strahlung im Weltraum verwendet. Die anderen In-Vitro-Zell­experimente wurden auf dem GSI/FAIR-Campus in Darmstadt durchgeführt und waren Teil der Experimen­tierzeit FAIR-Phase 0.

Die beiden Haupt­ergebnisse des Forschungs­teams nach Bestrahlung und Induzierens eines syn­thetischen Torpors belegten die Annahmen: Synthetischer Winter­schlaf kann eine schützende Wirkung vor einer eigentlich tödlichen Dosis an Kohlenstoff-Ionen haben. Synthetischer Winterschlaf reduziert außerdem die Gewebeschäden bei einer Ganzkörper­bestrahlung. Außerdem konnten die Wissen­schaftler bei ihren Untersuchungen an Gewebezellen von Ratten den zugrunde­liegenden Mechanismus näher charak­terisieren und zeigen, dass eine geringere Sauerstoff­konzentration in den Geweben (Hypoxie) und ein reduzierter Stoffwechsel bei niedriger Temperatur (Hypothermie) zwei wichtige Faktoren bei der Verhinderung von Zellschäden sein können.

Die immunhisto­logischen Analysen deuteten darauf hin, dass der synthetische Torpor das Gewebe vor ener­getischer Ionen­strahlung schont. Zudem könnten sich Veränderungen im Stoffwechsel bei niedrigen Temperaturen auch auf die DNA-Reparatur auswirken. Noch ist viel Forschung nötig, um die strahlen­schützende Wirkung des synthetischen Torpors in Organen zu untersuchen und besser zu verstehen. Und noch ist es technisch nicht möglich, Menschen auf sichere und kontrollierte Weise in einen Winterschlaf zu versetzen. Doch die Forschung schreitet voran. Erst vor Kurzem waren die neuronalen Bahnen, die den Torpor steuern, enträtselt worden.

„Bereits jetzt ist GSI in der Lage, Strahlen schwere Kerne zu produzieren, wie sie in der kosmischen Strahlung vorkommen. An FAIR werden Experimente mit einem viel größeren Spektrum an Teilchen­energien und -intensitäten möglich sein. Dies wird es Forschenden ermöglichen, die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den Menschen und auf die technischen Instrumente zu untersuchen, die für die Ermöglichung menschlicher Mars­missionen von grundlegender Bedeutung sind“, sagt Paolo Giubellino, wissen­schaftlicher Geschäftsführer von GSI und FAIR.

GSI / JOL

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