Parkinson: Nerven magnetisch die Wachstumsrichtung zeigen
Ein Grund, warum sich Nervenschäden im Gehirn nicht gut regenerieren lassen, ist, dass die Nervenfortsätze nicht wissen, in welche Richtung sie wachsen sollen. Ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB), der Sorbonne Université Paris und der Technischen Universität Braunschweig arbeitet daran, ihnen nun die Richtung mithilfe von magnetischen Nanopartikeln zeigen. Das Team um Prof. Dr. Rolf Heumann, Senior Researcher, Molekulare Neurobiochemie an der RUB, hofft, langfristig damit die Auswirkungen von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson lindern zu können. Die Ergebnisse der Arbeit wurden am 31. Dezember 2020 in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.
Veröffentlicht: 18.01.2021
Nervenfortsätze kennen den Weg nicht
Die Wiederherstellung von Gehirnfunktionen nach einer Verletzung oder bei neurodegenerativen Krankheiten ist bis heute ein ungelöstes Problem der Neurowissenschaften und der Medizin. Die Regeneration im zentralen Nervensystem ist nur sehr begrenzt möglich, da der regenerierende Nervenfortsatz, das Axon, dabei auf Proteine stößt, die wachstumsblockierende Eigenschaften haben. „Außerdem weiß das regenerierende Axon anfangs nicht, in welche Richtung es wachsen muss, um das denervierte Zielgewebe zu erreichen und funktionell zu verschalten“, erklärt Rolf Heumann.
Neurodegeneration
Neurodegeneration/-/neurodegeneration
Sammelbegriff für Krankheiten, in deren Verlauf Nervenzellen sukzessive ihre Struktur oder Funktion verlieren, bis sie teilweise sogar daran zugrunde gehen. Vielfach sind falsch gefaltete Proteine der Auslöser – wie etwa bestimmte Formen der Eiweiße Beta-Amyloid und Tau im Falle von Alzheimer. Bei anderen Krankheiten, beispielsweise bei Parkinson oder Chorea Huntington, werden Proteine innerhalb der Neurone nicht richtig abgebaut. In der Folge lagern sich dort toxische Aggregate ab, was zu den jeweiligen Krankheitserscheinungen führt. Während Chorea Huntington eindeutig genetisch bedingt ist, scheint es bei Parkinson und Alzheimer allenfalls bestimmte Ausprägungsformen von Genen zu geben, welche ihre Entstehung begünstigen. Keine dieser neurodegenerativen Erkrankungen kann bisher geheilt werden.
Axon
Axon/-/axon
Das Axon ist der Fortsatz der Nervenzelle, der für die Weiterleitung eines Nervenimpulses zur nächsten Zelle zuständig ist. Ein Axon kann sich vielfach verzweigen, und so eine Vielzahl nachgeschalteter Nervenzellen erreichen. Seine Länge kann mehr als einen Meter betragen. Das Axon endet in einer oder mehreren Synapse(n).
Signalweg lässt Nervenfasern wachsen
Das Bochumer Team konnte schon früher zeigen, dass die Aktivierung eines zentralen Signalwegs innerhalb von Nervenzellen, der durch membrangebundenes Ras-Protein ausgelöst wird, die Zellen einerseits vor Degeneration schützt und andererseits ein massives Faserwachstum bewirkt. Die Richtung dieses Faserwachstums wollten die Forschenden im aktuellen Projekt steuern. Dazu nutzten sie magnetische Nanopartikel, die sie in das Innere von Modell-Nervenzellen einschleusten. Die Aktivierung des Ras-Signalwegs lösten sie durch dauerhaft aktives Ras-Protein oder durch ein Ras-regulierendes Schalterprotein aus.
Nanopartikel mit Nadeln steuern
„Zunächst zeigten wir, dass wir durch magnetische Spitzen die eisenhaltigen Nanopartikel in der Zellflüssigkeit der Nervenzellen gezielt bewegen konnten“, beschreibt Fabian Raudzus. Der Gruppe ist es danach auch gelungen, das veränderte Schalterprotein für Ras im Inneren der Zelle an die Nanopartikel zu koppeln und magnetisch an die Zellmembran zu transportieren. Die so funktionalisierten Nanopartikel konnten die Forscherinnen und Forscher in den Nervenfortsatz einschleusen und an dessen Spitze anhäufen, wo die Wachstumsrichtung bestimmt wird. Die Kopplung zwischen Nanopartikel und Ras-Schalterprotein wurde durch Lichtstreuungsmessungen und andere mikroskopische Verfahren wie Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie nachgewiesen.
In der magnetischen Steuerung der funktionalisierten Nanopartikel in Nervenfasern sieht das Forschungsteam therapeutisches Potenzial: „Zur Behandlung der Parkinson-Krankheit etwa, bei der bestimmte dopaminerge Nervenzellen absterben, hat der japanische Forscher Prof. Dr. Jun Takahashi erst kürzlich die Transplantation von maßgeschneiderten Nervenzellen etabliert“, erläutert Heumann. „Langfristiges Ziel unserer Studie ist es, die Regeneration von transplantierten dopaminergen Nervenzellen durch funktionalisierte magnetische Nanopartikel im Gehirn zu fördern.“
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Morbus Parkinson
Morbus Parkinson, Parkinson-Krankheit/Morbus Parkinson/Parkinson`s desease
Eine der häufigsten neurologischen Krankheiten. Bedingt durch das Absterben Dopamin produzierender Neurone in der Substantia nigra kommt es zu einem Ungleichgewicht von Neurotransmittern in den Basalganglien. Das führt zum klassischen Zittern meist der Hände, zu starrer Mimik und einem typischen, trippelnden Gang. Die Parkinson-Krankheit kann nicht geheilt, durch die Gabe von Medikamenten aber gemildert werden. Eine neue, aber nicht einfache Therapiemethode ist der Hirnschrittmacher.
Mehrere Millionen Nervenzellen versorgen
Dazu müssten die Nanopartikel in mehrere Millionen Nervenzellen eingebracht werden. In Modellzellen konnte das Team zeigen, dass mittels einer einfachen, auf mechanischem Druck basierten Methode, große Zellpopulationen gleichzeitig mit diesen magnetischen Nanopartikeln beladen wurden. Dadurch wurde die Induktion des Wachstums von Nervenfasern nicht gestört.
„Obwohl wir noch weit von einer klinischen Anwendung entfernt sind, hoffen wir mit unseren Experimenten einen ersten Schritt zur Unterstützung der Regeneration von transplantierten dopaminergen Nervenzellen bei der Behandlung von Parkinson beitragen zu können“, so Rolf Heumann.
Neuron
Neuron/-/neuron
Das Neuron ist eine Zelle des Körpers, die auf Signalübertragung spezialisiert ist. Sie wird charakterisiert durch den Empfang und die Weiterleitung elektrischer oder chemischer Signale.
Originalpublikation
Fabian Raudzus, Hendrik Schöneborn, Sebastian Neumann, Emilie Secret, Aude Michel, Jérome Fresnais, Oliver Brylski, Christine Ménager, Jean Michel Siaugue, Rolf Heumann: Magnetic spatiotemporal control of SOS1 coupled nanoparticles for guided neurite growth in dopaminergic single cells, in: Scientific Reports, 2020, DOI: 10.1038/s41598-020-80253-w, https://www.nature.com/articles/s41598-020-80253-w
