Krabbenblut für Reisen im All

Bald werden Astronauten an Bord der ISS neue medizinische Geräte testen, die einfache Enzyme von Pfeilschwanzkrebsen benutzen, um Krankheiten beim Menschen zu diagnostizieren.

16. Januar 2007: Stellen Sie sich folgendes vor: Sie befinden sich auf einer Mission zum Mars, auf halbem Weg entfernt von der Erde und fühlen sich nicht gut. Ihr Hals schmerzt beim Schlucken, Ihre Stirn ist heiß. Sie wollen nicht krank werden oder Ihre Kameraden anstecken. Sollten Sie Antibiotika nehmen? Wenn ja, welche?

Mit Hilfe eines neuen biologischen Laboratoriums auf einem Chip, welches an NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, in Zusammenarbeit mit externen Forschern entwickelt wird, sind Sie vielleicht in der Lage in nur 5 Minuten eine Antwort zu erhalten.

Die Mini-Laboratorien sind unter dem Maxi-Akronym LOCAD-PTS bekannt, was für "Lab-On-a-Chip Application Development–Portable Test System" steht. Die neueste Version ist ein Handheld Gerät, das diesen Dezember, an Bord der Shuttle Mission STS-116, für Tests auf die Internationale Raumstation geschickt wurde. 

Rechts: LOCAD-PTS. Image credit: NASA.

Auf der Erde ist die beste Methode eine Krankheit zu diagnostizieren, eine bluthaltige Flüssigkeit (ein Abstrich der Zunge, oder Blut oder eine Urinprobe) zu nehmen und eine Kultur in Petrischalen, auf verschiedenen Nährböden im Labor zu züchten. Die Anlage einer Kultur zeigt ob eine Infektion viral (in diesem Fall hätten Antibiotika keine Wirkung) oder bakteriell ist, bzw. von Pilzen ausgelöst wurde (was auf Antibiotika reagiert). Eine Kultur zeigt auch um welche Spezies es sich handelt und welche Art von Antibiotika folglich am besten wirken würde.

"So genannte gram-negative Bakterien, wie E. coli und Salmonellen, reagieren auf andere Antibiotika als gram-positive Bakterien, wie Staphylokokken," erklärt Ginger N. Flores, LOCAD Projektleiter am Marshall.

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Kulturen können allerdings umständlich sein, vor allem weil es 2-3 Tage dauert sie zu züchten -- ein Zeitraum in der eine Person vielleicht sehr krank sein wird. LOCAD-PTS, auf der anderen Seite, ist schnell: "Es gibt uns innerhalb von 5-15 Minuten ein Resultat," sagt Norman Wainwright, Direktor für Forschung und Entwicklung an den Charles River Laboratories in Charleston, SC. "Und es ist sehr empfindlich -- es kann ein einziges Bakterium erkennen."

Die Geräte nutzen 4 Enzyme, welche aus dem Blut der ältesten auf der Erde lebenden Kreaturen stammt: den Pfeilschwanzkrebsen. "Die Pfeilschwanzkrebse, eine Spezies die 300 Millionen Jahre überlebte, hat ein sehr einfaches aber empfindliches Immunsystem," fährt Wainwrlight fort. Ein einziges Bakterium kann ausreichen das Immunsystem der Krabben anzuregen, welches das Blut verklumpt um die Wunde zu versiegeln. 

Die außerordentliche Empfindlichkeit der Enzyme und deren schnelle Reaktion machen sie sehr nützlich in einem breiten Gebiet der medizinischen Forschung, um die Effektivität von Medikamenten und Geräten zu testen. (Jedes Jahr den Pfeilschwanzkrebsen etwas Blut abzunehmen, die dann in die Natur zurückkehren, schadet den Kreaturen nicht, und bisher gibt es auch keinen künstlichen Ersatz.)

Es sind diese Enzyme der Pfeilschwanzkrebse, die es LOCAD-PTS erlauben so klein, empfindlich und schnell zu sein. Zuerst wird ein wenig des Enzyms in tuben-artige Röhrchen gebracht und getrocknet. Irgendeine flüssige Probe, die zum Testen in die Röhrchen gefüllt wird, rehydriert die Enzyme. Wenn die Probe Bakterien enthält, regen deren Gifte die Enzyme an, welche dann die Farbe der Flüssigkeit verändern -- der Grad der Farbänderung hängt von der Anzahl der Keime ab.

Rechts: Pfeilchwanzkrebse an einem Strand. Photo credit: University of Delaware. [Mehr]

Das Experiment, das im Dezember auf Reisen geschickt wurde, vergleicht LOCAD-PTS mit bewährten Petrischalen-Methoden. Einmal die Woche, für insgesamt 6 Wochen, werden die Astronauten ein klebriges, flexibles Pflaster auf eine Oberfläche drücken und dann um das Pflaster herum wischen. Jedes Bakterium, dass auf dem Pflaster heften bleibt, wird in das LOCAD-PTS gegeben und zusätzlich in einer Kultur gezüchtet. Einige Tage später werden die Bakterienkulturen auf die herkömmliche Art und Weise gezählt.

Anmerkung: Dieses Vorgehen zieht Vorteile daraus, dass Menschen nicht die einzigen Astronauten im All sind: die Oberflächen der Raumstation, ebenso wie Wände, Böden und Küchenzeilen hier auf der Erde, sind besiedelt von Bakterien ("ein kleiner Schritt für einen Keim...").

Natürlich erwarten Wainwright und Flores dass LOCAD-PTS sich als schnell herausstellen wird -- aber wie sieht es mit der Genauigkeit aus? Eine große Unbekannte ist, wie gut LOCAD-PTS im Vergleich die Art von Bakterien analysiert und wie genau die Farbänderungen anhand der Anzahl der Bakterienkolonien, die gezüchtet werden, kallibiriert werden können. "Wir wollen auch sehen wie praktisch und einfach das Gerät für Astronauten bei geringer Gravitation zu benutzen ist," fügt Flores hinzu.

Auch wenn das erste LOCAD-PTS nur auf gram-negative Bakterien testet," planen wir später auch auf gram-positive Bakterien, Hefe, Schimmelpilze und bestimmte Chemikalien zu testen."

Wenn alles gut läuft, wird eine Speichelprobe eines Astronauten durch eine zukünftige Generation von LOCAD-PTS geschickt, und könnte in der Tat innerhalb von Minuten mit einer Diagnose aufwarten wie "nehmen Sie 2 Amoxicillin und rufen Sie morgen an."

Author: Trudy E. Bell | Editor: Dr. Tony Phillips | Credit: Science@NASA