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Neurobiologie

Stoffwechselprozesse in entzündetem Nervengewebe

München, 13.12.2013

Im erwachsenen Gehirn spielen spezielle Zellen – sogenannte Astrozyten – eine wichtige Rolle, da sie die Funktion der Synapsen und den Energie-Stoffwechsel regulieren. Im Rahmen einer neuen Studie konnten nun Schlüssel-Regulatoren identifiziert werden, die es Astrozyten ermöglichen, ihre Funktion auch während entzündlicher Prozesse aufrecht zu erhalten.

Im gesunden Gehirn interagieren Astrozyten direkt mit den Synapsen – den Verbindungsstellen zweier Nervenzellen – und den Blutgefäßen und steuern so den Energiestoffwechsel. Die meisten Hirnverletzungen, die durch entzündliche Prozesse charakterisiert sind – etwa Schlaganfälle oder neurodegenerative Erkrankungen – lösen bei Astrozyten die sogenannte Astrogliose aus, ein reaktiver Zustand, der durch Änderungen der Morphologie und des Stoffwechsels gekennzeichnet ist. Dies könnte ein essentieller Aspekt bei den meisten Erkrankungen des Gehirns sein, der die Symptomatik verschlimmert und möglicherweise auch die Neurodegeneration beschleunigt.

In einem gemeinsamen Kooperationsprojekt konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der LMU, der Universität Köln sowie der Universität Bologna (Italien) nun neue Einblicke in den Stoffwechselprozess von verletztem Gehirngewebe gewinnen. „Die der Astrogliose zugrundeliegenden Stoffwechseländerungen können uns wichtige Erkenntnisse liefern, wie das Gehirn auf Verletzungen reagiert. Möglicherweise eröffnet dies auch neue Wege, um Nervenzellen bei Entzündungen zu schützen”, erklären Elisa Motori, die Erstautorin des Papers, und Matteo Bergami, bis vor kurzem Research Excellence Fellow am Institut für Physiologische Genomik der LMU und nun Gruppenleiter im Exzellenzcluster CECAD der Universität Köln.

Bislang wurde angenommen, dass alle Zellen des Nervensystems in gleicher Weise auf akute Hirntrauma reagieren. Bergami und sein Team entdeckten nun, dass Astrozyten innerhalb verschiedener Zonen der Verletzung unterschiedlich auf entzündliche Prozesse reagieren. Davon betroffen ist insbesondere die Dynamik der Mitochondrien, der Kraftwerke der Zelle: Mitochondrien können sowohl miteinander verschmelzen als auch sich spalten. Diese beiden Reaktionen sind der Schlüssel für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Architektur und Funktion. Eine fehlerhafte Regulation der mitochondrialen Dynamik resultiert in einer Störung der Mitochondrienfunktion, die wiederum zu Zellalterung führt und eine Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen auslösen kann.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Mitochondrien der Astrozyten im Zentrum der verletzten Hirnregion eine verstärkte Tendenz zur Spaltung aufweisen, die zu ihrer Fragmentierung führt. Im Gegensatz dazu verschmelzen viele der Mitochondrien in den umgebenden Bereichen. Darüber hinaus entdeckten die Wissenschaftler einen entscheidenden Stoffwechselprozess, der die Mitochondrienfunktion der Astrozyten reguliert: Bergami und sein Team konnten zeigen, dass die sogenannte Autophagie – die Selbstverdauung von Zellbestandteilen – für die Aufrechterhaltung der Mitochondrien-Struktur wichtig ist. Im Gegensatz zu Neuronen überleben Astrozyten überraschenderweise auch bei einer akuten Entzündung. Die neue Studie zeigt, dass Autophagie dabei der wichtigste Mechanismus ihrer Widerstandskraft ist. „Wenn die Autophagie abnimmt, verlieren Astrozyten die Fähigkeit, ihr Netzwerk zu regenerieren – das führt zum Zelltod der Astrozyten“, sagt Motori.

Obwohl die Reorganisation von Stoffwechselprozessen, die durch Entzündungen ausgelöst werden, hinter den Einfluss der Mitochondrien zurücktritt, zeigen diese Erkenntnisse deutlich, dass die Mitochondrienfunktion essentiell für das Überleben der Astrozyten ist. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler neue Erkenntnisse gewinnen, die ein besseres Verständnis von der Reaktion der Gehirnzellen in entzündlichen Prozessen ermöglichen. Eine weitere Spezifizierung dieser Stoffwechselprozesse wird zukünftig ermöglichen, Neurone vor dem Zelltod durch akute oder chronische Entzündungen zu schützen. Das wird möglicherweise die Entwicklung neuer Therapien initiieren, um neue Perspektiven für Patienten mit Hirntrauma oder Schlaganfall zu finden.

(Cell Metabolism 2013)                                      CECAD/göd

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