Weltraumreisen machen das Darmepithel durchlässig

Bakterien, Pilze und Viren können durch die Nahrung, die wir zu uns nehmen, in unseren Darm gelangen. Glücklicherweise dienen die Epithelzellen, die unseren Darm auskleiden, als robuste Barriere, um zu verhindern, dass diese Mikroorganismen in den Rest unseres Körpers eindringen. Probleme damit kann es allerdings bei der Raumfahrt in Schwerelosigkeit geben.

Ein von einem biomedizinischen Wissenschaftler an der University of California in Riverside geleitetes Forscherteam hat herausgefunden, dass simulierte Mikrogravitation, wie sie beispielsweise bei der Raumfahrt auftritt, die Funktion der Epithelbarriere im Darm auch nach Verlassen der Mikrogravitationsumgebung beeinträchtigt.

„Unsere Ergebnisse haben Auswirkungen auf unser Verständnis der Auswirkungen der Raumfahrt auf die Darmfunktion von Astronauten im Weltraum sowie auf deren Fähigkeit, den Auswirkungen von Einflüssen zu widerstehen, die die Funktion der Darmepithelbarriere nach ihrer Rückkehr zur Erde beeinträchtigen“, sagt Declan McCole. Professor für Biomedizin an der UC Riverside School of Medicine, der die Studie leitete.

Die im Weltraum bestehende Mikrogravitationsumgebung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Physiologie des Menschen und führt zu klinischen Symptomen und Krankheiten, einschließlich Gastroenteritis. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Mikrogravitation das menschliche Immunsystem schwächt. Es wurde auch beobachtet, dass Mikrogravitation die Fähigkeit von Bakterien wie Salmonellen, die durch Lebensmittel übertragen werden, erhöht, Darmerkrankungen zu verursachen.

„Unsere Studie zeigt zum ersten Mal, dass eine Mikrogravitationsumgebung Epithelzellen die Fähigkeit nimmt, sich vor Einflüssen zu schützen, die die Barriereeigenschaften dieser Zellen schwächen“, erklärt McCole. „Wichtig ist unsere Beobachtung, dass dieser Defekt bis zu 14 Tage nach dem Verlassen der Mikrogravitationsumgebung erhalten blieb.“

Bei der von McCole untersuchten permeabilitätsinduzierenden Substanz handelte es sich um Acetaldehyd, einen Alkoholmetaboliten. McCole erläutert, dass Alkohol bei normalen Probanden und bei Patienten mit alkoholbedingter Lebererkrankung die Barrierefunktion beeinträchtige und die gastrointestinale Permeabilität erhöhe. Die Barrierefunktion des Darmepithels sei entscheidend für die Aufrechterhaltung eines gesunden Darms. Wenn es gestört werde, könne es zu einer erhöhten Durchlässigkeit oder Undichtigkeit führen. Dies wiederum könne das Risiko für Infektionen und chronisch-entzündliche Erkrankungen wie entzündliche Darmerkrankungen, Zöliakie, Typ-1-Diabetes und Lebererkrankungen erheblich erhöhen.

McColes Team untersuchte mit einem „Rotating Wall Vessel“ – einem Bioreaktor, der die Zellen in einer kontrollierten Rotationsumgebung hält, die nahezu Schwerelosigkeit simuliert – den Einfluss der simulierten Mikrogravitation auf kultivierte Darmepithelzellen. Nach 18-tägiger Kultur im Gefäß entdeckte das Team, dass Darmepithelzellen eine verzögerte Bildung von „Tight Junctions“ (Zonula occludens) aufwiesen. Diese verbinden einzelne Epithelzellen miteinander und sind für die Aufrechterhaltung der Impermeabilität erforderlich. Das „Rotating Wall Vessel“ erzeugt auch ein verändertes Muster der „Tight Junction“, das bis zu 14 Tage nach dem Entfernen der Darmepithelzellen aus dem Gefäß erhalten bleibt.

„Unsere Studie ist die erste, in der untersucht wurde, ob funktionelle Veränderungen der Barriereeigenschaften von Epithelzellen nach Verlassen einer simulierten Mikrogravitationsumgebung über die Zeit erhalten bleiben“, sagt McCole. „Unsere Arbeit kann die langfristige Raumfahrt und Kolonialisierung beeinflussen, bei der die Exposition gegenüber einem durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserreger zu einer schwerwiegenderen Pathologie führen kann als auf der Erde.“