In gewisser Weise ähnelt das Gehirn einem großen Symphonie-Orchester, in dem diverse Instrumente zusammenspielen und doch jedes einen speziellen Part übernimmt. So enthält das Gehirn einerseits Nervenzellen. Diese werden auch „Neurone“ genannt und sind zu einem Geflecht verwoben, über das sie immer wieder Signale austauschen. Nicht weniger wichtig für die Funktion des Gehirns sind anderseits die sogenannten Gliazellen. Diese galten einst als bloßes Bindegewebe des Gehirns. Doch inzwischen hat sich herausgestellt, dass sie noch weitaus komplexere Aufgaben übernehmen und eine sehr vielseitige Familie an Zellen umfassen. Dazu zählen beispielsweise die Astrozyten.
„Astrozyten haben im Gehirn verschiedene Funktionen. Dazu gehört, dass sie die Neuronen mit Nährstoffen beliefern. Sie entsorgen aber auch Nebenprodukte des Stoffwechsels“, erläutert Professor Gabor Petzold, Gruppenleiter am Bonner Standort des DZNE und Leiter des Schwerpunkts Vaskuläre Neurologie an der Neurologischen Klinik des Universitätsklinikums Bonn. „Außerdem wirken sie auf die Kommunikation der Neuronen untereinander und sind an der Steuerung der Hirndurchblutung beteiligt.“
Alzheimer verändert die Astrozyten
Schon länger ist bekannt, dass Astrozyten infolge von Alzheimer ihre Gestalt wechseln: Zellen, die sich in der Nähe der für diese Erkrankung typischen Proteinablagerungen – den „Plaques“ – aufhalten, werden größer und bilden zusätzliche Ausläufer. Allerdings war bislang weitgehend unklar, wie sich die Funktion der Astrozyten dadurch verändert.
Petzold und seine Kollegen untersuchten daher Mäuse, deren Gehirne die für Alzheimer typischen Proteinablagerungen aufwiesen. Dabei fanden sie heraus, dass der Kalzium-Stoffwechsel von Astrozyten in der Umgebung der Plaques gestört war. Die Kalziumkonzentration spielt für den zellulären Stoffwechsel eine wichtige Rolle, weil sie den Ablauf biochemischer Reaktionen beeinflusst. „Die Astroyzten waren hyperaktiv. Das heißt, dass der Kalziumspiegel in den Zellen plötzlich ansteigen konnte. Auch haben wir festgestellt, dass dieser Effekt häufig auf benachbarte Astrozyten übergriff. Dabei entstanden sogenannte Kalzium-Wellen. Das ist so, als würde man einen Stein ins Wasser werfen“, beschreibt Petzold die Situation. „Normale Astrozyten hingegen zeigen nur vergleichsweise selten Veränderungen der Kalziumkonzentration.“
Energieträger mit Signalwirkung
Ausgelöst wurden diese Schwankungen durch Energieträger der Zelle, darunter ein Molekül mit dem Namen ATP. Als die Forscher dessen Freisetzung durch chemische Wirkstoffe blockierten, normalisierte sich die Aktivität der Astrozyten. Der gleiche Effekt stellte sich ein, als die Wissenschaftler einen bestimmten Rezeptor außer Funktion setzten, über den die molekularen Energiespeicher an die Astrozyten andocken. Wie das Team um Petzold erkannte, war dieser Rezeptor ungewöhnlich häufig vertreten auf der Oberfläche von Astrozyten in der Nachbarschaft der Plaques. Dieser Umstand machte die Zellen besonders empfänglich.
„ATP und ähnliche Moleküle versorgen die Zellen mit Kraftstoff. Es ist aber schon länger bekannt, dass sie auch als Botenstoffe agieren können. Dann wirken sie wie ein Signal, das bestimmte Vorgänge auslöst“, erklärt Petzold. „Diese Moleküle sind im Zellgewebe weit verbreitet. Man vermutet allerdings, dass sie in der Umgebung der Plaques vermehrt freigesetzt werden. Zwar gibt es dafür keine definitiven Beweise. Dafür konnten wir jedoch eindeutig zeigen, dass sie die Astrozyten in einen hyperaktiven Zustand versetzen. Die Signalkette wird über einen speziellen Rezeptor auf der Zelloberfläche vermittelt.“
Einfluss auf den Blutfluss
Noch ist ungewiss, ob der hyperaktive Zustand der Astrozyten eine positive Abwehrreaktion darstellt oder negative Folgen damit verbunden sind. Allerdings zeigen die aktuellen Untersuchungen, dass die Kalzium-Wellen mit lokalen Veränderungen der Hirndurchblutung einhergehen können. „Das ist interessant, weil es seit langem Hinweise dafür gibt, dass Alzheimer eine vaskuläre Komponente hat. Störungen der Gefäße und des Blutflusses scheinen eine wichtige Rolle zu spielen“, sagt Petzold.
Nach Einschätzung des Bonner Wissenschaftlers könnten sich aus aktuellen Studienergebnissen neue Wege für die Therapie ergeben: „Unsere Untersuchungen belegen, dass es prinzipiell möglich ist, die Hyperaktivität der Zellen einzudämmen. Dies könnte auf einen neuartigen Ansatz für die Behandlung hinweisen. Mit geeigneten Pharmaka könnte es vielleicht möglich sein, den Krankheitsverlauf zu beeinflussen.“
Bisher, schränkt der Forscher ein, habe man die Lage allerdings nur auf Ebene des zellulären Netzwerkes im Gehirn betrachtet. Deshalb wollen Petzold und seine Kollegen in weiteren Studien untersuchen, wie sich die Eindämmung der Hyperaktivität auf Krankheitssymptome auswirkt.
Originalveröffentlichung
Metabotropic P2Y1 receptor signalling mediates astrocytic hyperactivity in vivo in an Alzheimer’s disease mouse model
Andrea Delekate, Martina Füchtemeier, Toni Schumacher, Cordula Ulbrich, Marco Foddis, and Gabor C. Petzold.
Nature Communications, 2014, doi: 10.1038/ncomms6422
