Funktion des Immunsystems in Schwerelosigkeit – Vom Astronauten für die Erde lernen

Das Immunsystem gehört zu den auf einem Raumflug mit am stärksten beeinträchtigen Systeme des menschlichen Körpers. Seit den ersten Apollo Missionen ist die Geschichte des bemannten Raumflugs von medizinischen Zwischenfällen in Form von Infektionskrankheiten geprägt. Funktionstests von Zellen des Immunsystems in Schwerelosigkeit zeigen eine deutlich verminderte Aktivität von T-Lymphozyten, natürlichen Killerzellen und des Monozyten-/Makrophagensystems. Das Problem der gestörten Immunfunktion liegt wahrscheinlich nicht allein in der Stressreaktion des Gesamtorganismus begründet, sondern auch in der direkten Wirkung der Schwerelosigkeit auf Zellebene. Die zelluläre Schwerkraftwahrnehmung ist wahrscheinlich nicht die Folge der direkten Aktivierung eines einzelnen Moleküls, sondern Folge der Änderung der Kraftwirkung auf die extrazelluläre Matrix, der Zellform, der Zytoskelettorganisation oder der inneren Vorspannung der mechanischen Elemente der Zelle. Die Entwicklung dieser mechanosensitiven Mechanismen war wahrscheinlich eine unverzichtbare evolutionäre Voraussetzung, unsere Zellen in die Lage zu versetzen, ihre Umgebung wahrzunehmen und somit sich in einem komplexen Organismus zu organisieren. In der Schwerelosigkeit aber könnten nun diese optimal an das Leben auf der Erde angepassten Systeme ein Problem darstellen.

Long-term sensitivity of human cells to reduced gravity has been supposed since the first Apollo missions and was demonstrated during several space missions in the past. In vitro experiments demonstrated that cells of the immune system are exceptionally sensitive to microgravity. Therefore, serious concerns arose whether spaceflight-associated immune system weakening ultimately precludes the expansion of human presence beyond Earth's orbit. In human cells, gravitational forces may be sensed by an individual cell in the context of altered extracellular matrix mechanics, cell shape, cytoskeletal organization or internal pre-stress in the cell-tissue matrix. The development of cellular mechanosensitivity was probably an evolutionary requirement to sense the individual microenvironment of a cell. Therefore, it is possible that the same mechanisms, which enable human cells to sense and to cope with mechanical stress, contribute to cellular malfunction in microgravity.

Innate immunity - adaptive immunity - spaceflight - signal transduction - gravi-sensitivity

Literatur

• 1 Hawkins W, Zieglschmid J. Clinical aspects of crew health. In: Johnston R, Dietlein L, Berry C, eds. Biomedical results of Apollo. Washington DC: NASA; 1975: 43-81
• 2 Mehta SK, Cohrs RJ, Forghani B et al.. Stress-induced subclinical reactivation of varicella zoster virus in astronauts.  J Med Virol. 2004;  72 174-9
• 3 Knight V, Couch RB, Landahl HD. Effect of lack of gravity on airborne infection during space flight.  JAMA. 1970;  214 513-8
• 4 Horneck G, Comet B. General human health issues for Moon and Mars missions: Results from the HUMEX study.  Advances in Space Research. 2006;  37 100-8
• 5 Guéguinou N, Huin-Schohn C, Bascove M et al.. Could spaceflight-associated immune system weakening preclude the expansion of huan presence beyond Earth's orbit?.  J Leukoc Biol. 2009;  86 1027-38
• 6 Cogoli A, Tschopp A, Fuchs-Bislin P. Cell sensitivity to gravity.  Science. 1984;  225 228-30
• 7 Ullrich O, Huber K, Lang K. Signal transduction in cells of the immune system in microgravity.  Cell Commununication and Signaling. 2008;  6 9
• 8 Paulsen K, Thiel C, Timm J et al.. Microgravity-induced alterations in Signal Transduction in Cells of the Immune System.  actaastro. 2010;  67 1116-25
• 9 Boonyaratanakornkit JB, Cogoli A, Li CF et al.. Key gravity-sensitive signaling pathways drive T cell activation.  FASEB J. 2005;  19 2020-2
• 10 Stowe RP, Sams CF, Mehta SK et al.. Leukocyte subsets and neutrophil function after short-term spaceflight.  J Leukoc Biol. 1999;  65 179-86
• 11 Meloni MA, Galleri G, Pippia P et al.. Cytoskeleton changes and impaired motility of monocytes at modelled low gravity.  Protoplasma. 2006;  229 243-49
• 12 Vogel V, Sheetz M. Local force and geometry sensing regulate cell functions.  Nat Rev Mol Cell Biol. 2006;  7 265-75
• 13 Ingber DE, Tensegrity I. Cell structure and hierarchical systems biology.  J Cell Sci. 2003;  116 1157-73
• 14 Martinac B. Mechanosensitive ion channels: molecules of mechanotransduction.  J Cell Sci. 2004;  117 2449-60
• 15 Ingber D. How cells (might) sense microgravity.  FASEB J. 1999;  13

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