MicroAge-Mission: experimentelles Design und Hardware für ein maßgeschneidertes Kultursystem zur Unterstützung gewebegezüchteter Skelettmuskulatur

Warum der Weltraum uns hilft, schwache Muskeln zu verstehen

Mit zunehmendem Alter schrumpfen und schwächen sich unsere Muskeln allmählich, was alltägliche Aufgaben erschwert und das Risiko von Stürzen und Gebrechlichkeit erhöht. Astronauten erleben einen ähnlichen Muskelschwund schon nach wenigen Wochen in der Schwerelosigkeit. Die MicroAge-Mission verwandelte die Internationale Raumstation (ISS) in ein Labor, um diesen schnellen Muskelabbau mittels winziger, im Labor gezüchteter menschlicher Muskeln und spezieller Hardware zu untersuchen. Indem sie verstehen, wie Muskeln im Weltraum fehlregulieren, hoffen die Forschenden, neue Wege zu finden, Muskeln sowohl bei Astronauten als auch bei älteren Menschen auf der Erde stärker zu halten.

Muskeln im All als Schnellvorlauf

Im Orbit entfällt die gewohnte Schwerkraft, und die Muskeln müssen den Körper nicht mehr so stark stützen. Selbst mit strengem täglichem Training verlieren Astronauten innerhalb weniger Wochen immer noch 3–10 % des Muskelvolumens, bei längeren Missionen deutlich mehr. Dieses Muster ähnelt überraschend dem altersbedingten Muskelabbau auf der Erde, nur stark beschleunigt. MicroAge wollte prüfen, ob in beiden Fällen dieselben zugrundeliegenden biologischen Veränderungen stattfinden, mit besonderem Fokus darauf, wie Muskelzellen auf Kontraktion und auf die chemischen Signale reagieren, die sie normalerweise anpassen und stärken.

Bau winziger menschlicher Muskeln

Anstatt Muskeln von Tieren oder zweidimensionale Zellkulturen zu untersuchen, entwickelte das Team dreidimensionale menschliche Muskel„streifen“. Sie begannen mit einer gut charakterisierten menschlichen Muskelzelllinie, mischten die Zellen in ein weiches Gel aus Fibrin und anderen natürlichen Bestandteilen und gossen diese Mischung in maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Kunststoffgerüste. Über etwa 12 Tage zogen die Zellen am Gel und aneinander und bildeten ausgerichtete, seilartige Muskelbündel, die zwischen festen Ankerpunkten gespannt waren und die Struktur echter Muskelfasern eng nachahmten. Sorgfältige mikroskopische Färbungen bestätigten, dass die Zellen sich zu reifem, gestreiftem Muskelgewebe organisiert hatten, das kontrahierbar ist.

Intelligente Hardware für Muskeln im Orbit

Um diese empfindlichen Konstrukte im All am Leben zu erhalten, arbeiteten die Forschenden mit Ingenieurinnen und Ingenieuren zusammen, um ein kompaktes Kultursystem zu entwerfen, das in den Kubik-Inkubator der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) auf der ISS passt. Jede Versucheinheit enthielt eine Kulturkammer zur Aufnahme des Muskelsgerüsts, winzige Pumpen und Schläuche zur Nährstoffauffrischung sowie einen zweiteiligen Flüssigkeitsbehälter, der sowohl frisches Nährmedium als auch Fixiermittel für die spätere Analyse lagert. Eine dünne gasdurchlässige Membran ließ Sauerstoff und andere Gase diffundieren und hielt gleichzeitig die Flüssigkeit sicher zurück. Das Team wählte Materialien, die sowohl biokompatibel als auch robust genug für die Belastungen beim Start sind, und validierte, dass Flüssigkeiten in der Mikrogravitation zuverlässig gepumpt werden können, indem eine flexible Membran die Flüssigkeit in Richtung Auslass drückte und gebrauchtes Medium auf der gegenüberliegenden Seite sammelte.

Muskeln arbeiten lassen und ihre Leistung messen

Einfach nur im Raum zu schweben reicht nicht aus, um das Verhalten von Muskeln offenzulegen; sie müssen „trainiert“ werden. In die Kammer eingebaute Platinelektroden lieferten kurze Reihen elektrischer Impulse, die die Muskelstreifen in einem kontrollierten Muster kontrahieren ließen. Da der Einbau von Kraftsensoren oder Kameras im begrenzten Raum nicht praktikabel war, nutzte das Team eine clevere Alternative: Sie überwachten die elektrische Impedanz, die sich ändert, wenn sich Form und innere Struktur des kontrahierenden Gewebes verschieben. Durch den Vergleich der Impedanz während und nach der Stimulation für leere Gerüste, abgestorbenes Gewebe und lebende Konstrukte zeigten sie, dass kontrahierende Muskeln bei niedrigen Frequenzen ein charakteristisches Signal erzeugen — ein Nachweis dafür, dass das System funktionelle Aktivität ohne bewegliche Teile detektieren kann.

Zellen vom Raketenstart bis zur Raumstation am Leben erhalten

Eine weitere große Herausforderung war die Zeitspanne zwischen dem Start auf der Erde und der Installation in den Inkubator im Orbit, in der weder aktive Heizung noch Kühlung oder kontrolliertes Kohlendioxid zur Verfügung stehen. Das Team testete verschiedene CO₂-unabhängige Kulturmedien und Lagertemperaturen anhand flacher Muskelzellschichten. Sie fanden heraus, dass ein Medium namens Leibovitz L-15, das spezielle Salze und Zucker anstelle gelösten CO₂ zur pH‑Stabilisierung nutzt, das Überleben der Zellen am besten bewahrte. Überraschenderweise hielten Kulturen bei einer etwas kühleren Temperatur von 30 °C, ohne das Medium fünf Tage lang zu wechseln, die Zellen mindestens so gesund wie unter den üblichen 37 °C mit regelmäßiger Nährstoffzufuhr. Diese Strategie reduzierte den Stoffwechselbedarf und die Ansammlung von Abfallprodukten und verschaffte während Start und Andocken wertvolle Zeit.

Was diese Arbeit für Leben auf Erde und im All bedeutet

Die MicroAge-Mission berichtet vor allem, wie das Team dieses maßgeschneiderte Kultursystem gebaut und getestet hat, statt die finalen biologischen Ergebnisse — diese sollen in späteren Publikationen folgen. Dennoch zeigt die Arbeit, dass es möglich ist, realistisches menschliches Muskelgewebe zu züchten, in den Orbit zu senden, es zur Kontraktion zu stimulieren und sein Verhalten mit kompakter, halbautomatisierter Hardware zu überwachen. Das eröffnet die Möglichkeit, zu untersuchen, wie Gene, trainingsähnliche Stimulation und künstliche Schwerkraft Muskeln im Weltraum schützen können, und Microgravitation als beschleunigtes Modell des Muskelalters zu nutzen. Letztlich könnten Erkenntnisse aus diesen winzigen Muskeln im Orbit neue Therapien und Trainingsstrategien leiten, die Menschen auf der Erde helfen, Kraft, Unabhängigkeit und Lebensqualität im Alter zu erhalten.

Zitation: Jones, S.W., Shigdar, S., Temple, J. et al. MicroAge mission: experimental design and hardware for a bespoke culture system supporting tissue-engineered skeletal muscle. npj Microgravity 12, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00579-z

Schlüsselwörter: Mikrogravitation, Skelettmuskulatur, Gewebezüchtung, Biologie der Raumfahrt, Muskelseneszenz