Mondstaub unter der Lupe: Künstliches Atemwegsmodell zeigt mögliche Risiken für künftige Mondmissionen

Forschende aus Magdeburg haben ein menschennahes 3D-Modell der Atemwege entwickelt und untersuchen laut eigenen Anaben 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 im Journal „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 seien für die geplanten langfristigen Mondmissionen der kommenden Jahre und einer perspektivischen Mondbasis von Bedeutung, erklärten die Wissenschaftler. Bereits Astronautinnen und Astronauten der Apollo-Missionen hätten nach dem Kontakt mit Mondstaub über Beschwerden berichtet, die an Heuschnupfen erinnerten. Bis heute verstehe man aber noch nicht wirklich, 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 zehn Schlägen pro Sekunde auf rund sieben Schläge pro Sekunde. Dadurch könnten eingeatmete Partikel länger in den Atemwegen verbleiben.

Auch die Stabilität des Atemwegsepithels 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“, berichtet 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“, verdeutlicht 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 nach Ansicht der Wissenschaftler 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. 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.