Studie: Gehirn besitzt mehr Selbstheilungskräfte als bisher angenommen
Ohne unsere Schaltzentrale im Kopf geht nichts. Dementsprechend fatal sind Hirnverletzungen. Solche Schädigungen können auf verschiedene Weise entstehen: zum einen durch äussere Einwirkungen, etwa bei einem Schädel-Hirn-Trauma nach einem Unfall; zum anderen gibt es Erkrankungen des Gehirns, beispielsweise durch einen Schlaganfall. Möglich sind Hirnschädigungen auch durch entzündliche und/oder autoimmunvermittelte Erkrankungen des Nervensystems oder neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer.
Für das Funktionieren des Gehirns wichtig sind unter anderem Astrozyten. «Astrozyten sind lebenswichtige Stütz- und Versorgungszellen des Gehirns: Sie versorgen Nervenzellen mit Nährstoffen, regulieren deren Umgebung und tragen dazu bei, die Blut-Hirn-Schranke aufrechtzuerhalten», erklärt Bruno Weber, Professor am Institut für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Zürich. Diese Astrozyten halten das Hirngewebe gesund, werden aber bei Hirnverletzungen zerstört.
Verschiedene Gründe für den Verlust von Astrozyten
«Ein Astrozytenverlust kommt bei einer Reihe neurologischer Erkrankungen vor», erklärt Weber. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind sehr unterschiedlich: Die Zellen können durch Entzündungen, Durchblutungsstörungen wie bei einem Schlaganfall, traumatische Hirnverletzungen oder Autoimmunerkrankungen direkt oder indirekt geschädigt und zerstört werden.
Die Wissenschaft ging bisher davon aus, dass das erwachsene Gehirn verlorene Astrozyten nicht vollständig ersetzen kann. Zwar ist hinlänglich bekannt, dass auch im Alter eine gewisse Plastizität des Gehirns vorhanden ist. Völlig unklar war aber, wie diese Regenerierungsprozesse auf zellulärer Ebene tatsächlich ablaufen. Doch nun zeigt eine neue Studie der Universität Zürich, dass die Annahme, Astrozyten könnten sich nur in sehr beschränktem Masse regenerieren, falsch ist.
Das Team unter der Leitung von Bruno Weber entdeckte im Gehirn von lebenden Mäusen eine spezialisierte Gruppe regenerativer Astrozyten. «Unsere Ergebnisse zeigen, dass Astrozyten nach einem Verlust über bemerkenswerte Selbstheilungskräfte verfügen», sagt Weber. Die Astrozytenzellen am Rand des geschädigten Bereichs reagieren sehr gezielt: Sie teilen sich, verändern ihre Form und besiedeln mithilfe eines speziellen Mechanismus mit ihren Tochterzellen die verlorenen Gebiete neu. So bauen sie dort schrittweise ein neues Astrozyten-Netzwerk auf. «Dabei konnten wir sowohl die zellulären Abläufe beobachten als auch molekulare Programme identifizieren, die während dieser Regeneration aktiviert werden», sagen Marina Herwerth und Matthias Wyss, die Erstautoren der Studie, die in der Fachzeitschrift «Nature Neuroscience» publiziert wurde.
Gezeigt werden konnte diese erfreuliche Erkenntnis der Selbstheilungskräfte an einer seltenen Krankheit. Ein besonders gezielter Verlust von Astrozyten kommt bei der Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankung (NMOSD) vor. Bei dieser seltenen, aber schwerwiegenden neurologischen Autoimmunerkrankung greifen die Antikörper einen Wasserkanal auf der Oberfläche von Astrozyten an und zerstören diese.
«Diesen Mechanismus haben wir für unser experimentelles Modell genutzt», erklärt Weber. «Durch diese spezifischen Antikörper können wir Astrozyten innerhalb von 24 Stunden gezielt in einem begrenzten Bereich des Gehirns von Mäusen entfernen.»
Das Modell ermögliche, direkt zu beobachten, wie das Gehirn auf den Verlust dieser wichtigen Zellen reagiere und wie es das geschädigte Astrozyten-Netzwerk wieder aufbaue. Dafür haben die Forscher lebende Mäusehirne über mehrere Wochen mit Zwei-Photonen-Mikroskopie in Echtzeit beobachtet und kartiert, welche Gene in welchen Regionen aktiv werden.
Hoffnung auf Entwicklung einer Reparatur-Therapie
Diese Erkenntnisse könnten bei der Heilung von Hirnverletzungen und Erkrankungen helfen. Denn falls sich die entdeckten Mechanismen gezielt aktivieren liessen, könnte dies helfen, geschädigtes Hirngewebe besser zu reparieren. «Man könnte versuchen, dieses natürliche Reparaturprogramm therapeutisch gezielt zu verstärken. Denkbar wäre etwa, molekulare Signalwege zu aktivieren, die die Vermehrung, Mobilisierung und Neuorganisation von Astrozyten fördern», sagt Weber.
Dadurch könnte das Gehirn geschädigte Bereiche schneller stabilisieren und wichtige Funktionen wie die Stoffwechselversorgung der Nervenzellen oder die Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke rascher wiederherstellen. «Damit identifiziert unsere Studie erstmals die molekulare ‹Reparaturanleitung›, die Astrozyten nach einem lokalen Zellverlust verwenden», sagt der Studienleiter.
Der nächste Schritt bestehe nun darin, die vielversprechendsten Kandidatengene funktionell zu untersuchen und zu prüfen, ob sich diese Mechanismen gezielt positiv beeinflussen und zum Beispiel pharmakologisch verstärken liessen. «Dann wird sich zeigen, ob daraus neue Therapien für Hirnerkrankungen entstehen können», sagt Weber.
Universität Zürich / www.brunoweberlab.ch (schweizheute.ch)
