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Aug 09, 2023

#SpaceWatchGL Sommerlesung: Die Wunder von Mikro

Blindheit aufgrund von Netzhauterkrankungen betrifft weltweit über 200 Millionen Menschen, und bis 2040 wird diese Zahl voraussichtlich auf 290 Millionen ansteigen. Die beiden häufigsten degenerativen Erkrankungen der Netzhaut werden genannt

Blindheit aufgrund von Netzhauterkrankungen betrifft weltweit über 200 Millionen Menschen, und bis 2040 wird diese Zahl voraussichtlich auf 290 Millionen ansteigen. Die beiden häufigsten degenerativen Erkrankungen der Netzhaut heißen Retinitis pigmentosa und altersbedingte Makuladegeneration (AMD). Weltweit sind eineinhalb Millionen Menschen von Retinitis pigmentosa betroffen. Es beginnt mit einer Verdunkelung des peripheren Sehvermögens, bis die Person völlig blind ist. AMD betrifft allein in den USA 30 Millionen Menschen über 55, darunter 10 Millionen im Erblindungsstadium. AMD beginnt mit einer Verdunkelung des zentralen Sehvermögens, bis die Person völlig blind ist. Lösungen, die ursprünglich für beschädigte Sehnerven entwickelt wurden, bestanden hauptsächlich aus Prothesen auf elektronischer Basis (einem bionischen Ersatz des Auges), aber abgesehen davon, dass sie 150.000 US-Dollar kosteten und eine invasive Gehirnoperation erforderten, gaben sie eine Reihe grober heller und dunkler Pixel aus dem durch den Sehnerv gesendeten Signal zurück , nichts geht über natürliches funktionelles Sehen. Könnte die Biotechnologie eine bessere Lösung finden?

Unsere Netzhaut ist eine dünne Schicht im hinteren Teil unseres Auges, die aus Millionen von Fotorezeptoren besteht, die Zapfen und Stäbchen genannt werden. Tagsüber nehmen wir Farben durch Zapfen wahr, die Blau, Grün und Rot sehen sollen. Nachts verwandelt sich die Netzhaut in Stäbchen, was uns das für die Nacht typische gräuliche Sehen beschert. Es gibt 6 Millionen Zapfen und 120 Millionen Stäbchen. Wenn diese Photorezeptorzellen durch Photonen stimuliert werden, reagieren sie, indem sie ein elektrochemisches Signal an andere Zellen weiter hinten in der Netzhaut senden: zuerst an Bipolarzellen, dann an Ganglienzellen, deren vermaschte Axone den Sehnerv bilden. Das Signal, das zur Verarbeitung durch das Gehirn an den Sehnerv weitergeleitet wird, gibt uns das, was wir als natürliches Sehen wahrnehmen.

Im letzten Jahrzehnt wurden in den USA und Japan mehrere Möglichkeiten zur Netzhautzüchtung untersucht (RIKEN). Ursprünglich bestand dieser biotechnologische Hauptansatz darin, das natürliche Zapfen- und Stäbchenmuster zu rekonstruieren, was so schwierig erschien, dass es zu keiner funktionierenden Lösung geführt hat. Aber wie wäre es stattdessen mit dem Versuch, unsere natürlichen Zapfen durch ein künstliches, aber ähnlich leistungsfähiges Photorezeptormuster zu ersetzen? Um dorthin zu gelangen, wo wir hin müssen, schauen wir uns zunächst die Proteine ​​in der natürlichen Netzhaut genauer an.

Die Bausteine ​​der Photorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) unserer Netzhaut sind eine Klasse von Proteinen namens „Opsin“. Die Eigenschaften von Opsin stammen von einer Substanz namens Retinal, einem Pigmentmolekül, das als Chromophor klassifiziert wird, was ein Molekül bedeutet, das die Energie von Photonen absorbiert. Das Opsin-Protein befindet sich in den Zapfen und Stäbchen und erzeugt lichtaktiviertes Sehen. „Opsin“ kommt als „Photopsin“ in den Zapfen vor und ermöglicht das Sehen der Farben Blau, Grün und Rot am Tag. Entgegen der Intuition war es jedoch das „Rhodopsin“, das in den Stäbchen enthaltene und für die Nachtsicht geeignete Protein, das zur Lösung führte.

Könnten wir eine natürliche Proteinquelle mit ähnlichen Eigenschaften wie Rhodopsin finden?

Die Hauptidee hinter einer synthetischen Netzhaut besteht darin, dass wir, anstatt zu versuchen, das ursprüngliche Zapfen- und Stäbchenmuster zu rekonstruieren, dieses zerstörte Mosaik durch eine neue, synthetische Schicht ersetzen wollen, die ein Protein mit denselben Photorezeptoreigenschaften enthält. Aber wir wissen nicht, wie man retinales Photopsin oder Rhodopsin produziert. Und wir müssen die Fähigkeit, ein geeignetes elektrochemisches Signal über den Sehnerv präzise an das Gehirn zu übertragen, noch neu entwickeln. Da wir wissen, dass diese Photorezeptoren (120 Millionen Stäbchen und 6 Millionen Zapfen) auf der Netzhaut eine Mosaikschicht mit einem Stäbchen/Zapfen-Verhältnis von 95/5 zugunsten von Rhodopsin gegenüber Photopsin bilden, wollen wir zunächst in Richtung Rhodopsin schauen.

Die Frage lautet: Könnten wir eine natürliche Proteinquelle mit ähnlichen Eigenschaften wie Rhodopsin finden? Wenn wir dieses Protein synthetisieren, reinigen und als Baustein verwenden könnten, könnten wir möglicherweise eine Photorezeptordecke herstellen, die über den Sehnerv eine geeignete Form eines elektrochemischen Signals an das Gehirn überträgt. Diese Decke würde als Ersatz für das zerstörte Mosaik aus Zapfen und Stäbchen dienen und zu einem einigermaßen guten Grad an funktionellem Sehvermögen führen.

Vor dreieinhalb Milliarden Jahren erschienen Archaeen, eine Gruppe einzelliger Mikroorganismen, möglicherweise die älteste Lebensform, auf dem Planeten Erde. Zu dieser Domäne gehörten sogenannte Halobakterien, und eines davon wurde Halobacterium Salinarum genannt, nachdem Menschen diesen Mikroorganismus in extrem salzigen Marschgebieten entdeckt hatten. Aus Halobacterium Salinarum können Sie ein Protein namens Bakteriorhodopsin synthetisieren. Ebenso wie das Rhodopsin aus der natürlichen Netzhaut enthält auch Bakteriorhodopsin Netzhaut. Wenn man Bakteriorhodopsin zur Herstellung einer künstlichen Netzhaut verwenden könnte, wäre die Augenoperation fast so routinemäßig wie ein Eingriff in eine Netzhaut, die vom Augenbehälter „abgelöst“ wird, was häufig vorkommt. Dann geht es nicht mehr darum, wie viele elektronische Rezeptoren und Chips man in ein bionisches Auge packen kann, sondern darum, wie viel Bakteriorhodopsin man in eine künstliche Netzhaut stopfen kann, um etwas zu erreichen, das dem natürlichen funktionellen Sehen nahe kommt.

Vor fast einem halben Jahrhundert machte sich Dr. Robert Birge, angesehener Lehrstuhlinhaber für Chemie an der University of Connecticut, die Aufgabe, Bakteriorhodopsin zu erforschen, um lichtaktivierte Proteine ​​in biomolekulare elektronische und therapeutische Anwendungen, einschließlich proteinbasierter künstlicher Netzhäute, zu integrieren.

Allerdings war das Prinzip der proteinbasierten künstlichen Netzhaut damals erst der Anfang. Es ist nicht möglich, eine voll funktionsfähige künstliche menschliche Netzhaut allein auf der Grundlage der Eigenschaft lichtaktivierter Proteine ​​zu bauen. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Bakteriorhodopsin und menschlichem Rhodopsin besteht beispielsweise darin, wie es Photonenenergie in Stoffwechselenergie umwandelt: Im Gegensatz zu einer natürlichen Netzhaut (wo hauptsächlich eine Bewegung von Natrium-, Kalium- und Glutamat-Ionen stattfindet) sind es im Fall von Bakteriorhodopsin seine Wasserstoffionen Diese werden durch eine Membran gepumpt und erzeugen einen sogenannten Protonengradienten.

LambdaVision mit Sitz in Farmington, Connecticut, USA, wurde 2009 von seiner Präsidentin und CEO Dr. Nicole Wagner und dem Mitbegründer des Chemikers Dr. Jordan Greco gegründet. Dr. Robert Birge ist zusammen mit mehreren wichtigen Stakeholdern Mitglied des Vorstands des Unternehmens. In diesem einstündigen Video mit Dr. Wagner „New Frontiers: Manufacturing a Protein-Based Artificial Retina in Low Earth Orbit“ geben die ersten 40 Minuten einen Rückblick auf die Aussichten und das Geschäft des Unternehmens.

Aber wie wäre es stattdessen mit dem Versuch, unsere natürlichen Zapfen durch ein künstliches, aber ähnlich leistungsfähiges Photorezeptormuster zu ersetzen?

Der von LambdaVision angewandte Forschungs- und Herstellungsprozess ähnelt der Dünnschichttechnologie. Wie oben erwähnt, geht es darum, einen Protonengradienten zu erzeugen, der stark genug ist, um den Sehnerv zu erreichen, sodass man mit dieser künstlichen Netzhaut ein funktionelles Sehvermögen erlangen kann. Was Sie also zunächst benötigen, ist eine Membran, die für Ionen durchlässig ist. Dann lagern Sie auf dieser Membran eine Schicht gereinigtes Bakteriorhodopsin ab. Es stellt sich heraus, dass Sie nicht eine, sondern zweihundert dieser Schichten benötigen. Diese Anzahl ist das Minimum, das erforderlich ist, um genügend Licht zu absorbieren und einen Ionengradienten zu erzeugen, der im Gegenzug die neuronalen Schaltkreise der Bipolar- und Ganglienzellen auf dem Weg zum Sehnerv ausreichend stimulieren kann und gleichzeitig in die begrenzte Netzhautgröße eines Auges passt .

Die Besonderheiten der Herstellung dieses 200-schichtigen dünnen Films, der die Basiskomponente für diese künstliche Netzhaut darstellt, werden als „schichtweiser elektrostatischer Abscheidungsprozess“ bezeichnet. In der Praxis besteht das darin, dass man ein Substrat, wie ein Stück Gaze, in mehrere Lösungen zwischen mehreren Bechergläsern eintaucht, und wenn man dies hunderte Male durchführt, erhält man am Ende seinen 200-schichtigen dünnen Film. Wenn Sie dies in einer terrestrischen Umgebung tun, unterliegt Ihr Prozess bestimmten Schwerkraft- und luftbedingten Einschränkungen wie Sedimentation, Verdunstung, Konvektion, hydrostatischem Druck über Ihre Schichten usw. Alle diese Faktoren wirken sich auf die Gleichmäßigkeit, Richtung und Homogenität aus des Substrats während seiner Entwicklung. Darüber hinaus verstärken sich bei einem so dünnen Film die Unregelmäßigkeiten einer Schicht um das 200-fache. Das führt zu einem enormen Qualitätskontroll-, Effizienz-, Produktivitäts- und letztendlich Kostenproblem. Und wenn Sie wissen, dass Micro-G all diese Störungen beseitigt, liegt es auf der Hand, dass Sie es ausprobieren möchten.

Beachten wir auch, dass dieser der Dünnschichttechnologie ähnliche Ansatz stark von der Fähigkeit beeinflusst wird, flüssigkeitsbasierte Prozesse zu steuern, die als „Fluidik“ bezeichnet werden. Aus diesem Grund unterscheidet es sich erheblich von den auf der ISS verfügbaren Bioprinting-Geräten und erfordert daher eine eigene dedizierte Hardware. Und eine große Herausforderung und der Grund, warum diese präzise kontrollierten Prozesse wichtig sind, besteht darin, dass eine äußerst präzise und gleichmäßige Ausrichtung der Proteine ​​im dünnen Film innerhalb der künstlichen Netzhaut eine unabdingbare Voraussetzung für funktionelles Sehen ist. Ohne sie wäre es nicht möglich, einen Ionengradienten über die Bipolar- und Ganglienzellen hinweg in einer streng einheitlichen Richtung zum Sehnerv zu erzeugen. Signale würden durcheinander geraten und sich gegenseitig aufheben, wenn sie in entgegengesetzte Richtungen laufen.

Die oben genannten Grundlagen führen in der Praxis zum Herstellungsprozess eines funktionsfähigen Sehgeräts. Erforderlich ist aber auch ein messbarer Vergleich mit terrestrischen Eigenschaften nach der Übertragung dieses Prozesses in die Umlaufbahn. Erstens geht es um die Erfüllungvier Spezifikationen:

Aber das ist nicht alles. Sobald Sie Ihren dünnen Film mit 200 Schichten aufgebaut haben, erwarten Sie, dass er seine Anforderungen erfülltvier Funktionalitäten:

Das Obige stellt das Hauptmenü an Spezifikationen und Funktionalitäten dar, die erforderlich sind, um Vergleichsexperimente und Herstellungsvorgänge auf der Erde und im Orbit durchzuführen und Ergebnisse zu vergleichen. In Teil 4 betrachten wir die Operationalisierung der Forschung und Entwicklung von LambdaVision, als diese mit dem ISS-Betrieb in einem Prozess verschmolz, der 2016 zufällig initiiert und zwischen 2020 und 2022 über sechs Missionen durchgeführt wurde.

Christophe Bosquillon verfügt über einen vielfältigen beruflichen Hintergrund und ist weltweit tätig, wobei der Schwerpunkt auf der indopazifischen Region liegt. Seine Erfahrungen in Japan, Korea, Taiwan, China, ASEAN, Indien, Russland und Australien haben ihm ein tiefes Verständnis der multipolaren Realpolitik unserer Welt unter der Pax Americana vermittelt. Mit einem Hintergrund in den Bereichen Ingenieurwesen, Handel und ausländische Direktinvestitionen in Branchen, die für die Nutzung von Weltraumressourcen (Space Resource Utilization, SRU) relevant sind, wie Bergbau, Transport, Energie, Fertigung, Agrarlebensmittel, Umwelt und Digitalisierung, engagiert sich Chris für die Entwicklung von SRU-Wertschöpfungsketten, die davon profitieren die Erde. Als Führungskraft, Eigentümer, Autor und Gründer von Autonomous Space Futures Ltd verfügt Chris über umfangreiche Erfahrung in der gemeinsamen Gestaltung von Richtlinien und arbeitet an der Entwicklung von für die Gesellschaft relevanten Raumfahrtgeschäfts- und Governance-Modellen. Er ist Mitglied von NGOs, die Beiträge zur Arbeitsgruppe des UN-Komitees für die friedliche Nutzung des Weltraums (UNCOPUOS) zu Weltraumressourcen leisten. Chris trägt zur regulatorischen Klarheit in Bezug auf Aneignung, Priorität, Nachhaltigkeit und Teilen auf eine Weise bei, die nationale Interessen mit der Einbeziehung der Zivilgesellschaft in Einklang bringt, vorausgesetzt, es wird ein transparenter, ordnungsgemäßer Prozess befolgt. Wenn er sich für den Zugang zu Technologie und Weltraum für den globalen Süden einsetzt, ist Chris davon überzeugt, dass die Beteiligung aufstrebender Weltraummächte an den Weltraummärkten im Einklang mit ihrem Interesse und Engagement in der internationalen Weltraumpolitik stehen muss. Er ist davon überzeugt, dass ihre Fähigkeit, souveräne inländische Fähigkeiten mit Spillover-Potenzial zu entwickeln, ebenfalls von entscheidender Bedeutung ist. Chris ist an „Frieden durch Stärke“-Diplomatie und abschreckungsbasierter Sicherheit als Voraussetzungen für einen sicheren Zugang zum Weltraum interessiert. Er unterstützt ein souveränes Situationsbewusstsein im cislunaren Weltraum als Voraussetzung für die Bewegungsfreiheit im Weltraumbereich und eine konfliktfreie Zusammenarbeit auf dem Mond.