Das menschliche Gehirn verbraucht große Mengen an Energie, die fast ausschließlich durch einen Stoffwechsel erzeugt wird, der Sauerstoff benötigt. Obwohl bekannt ist, dass die effiziente und rechtzeitige Zufuhr von Sauerstoff für eine gesunde Gehirnfunktion von entscheidender Bedeutung ist, sind die genauen Mechanismen dieses Prozesses den Wissenschaftlern weitgehend verborgen geblieben.
Eine neue Biolumineszenz-Bildgebungstechnik, heute in der Zeitschrift beschrieben Wissenschafthat sehr detaillierte und visuell beeindruckende Bilder der Sauerstoffbewegung im Gehirn von Mäusen erstellt. Die Methode, die leicht von anderen Laboren reproduziert werden kann, wird es Forschern ermöglichen, Formen der Hypoxie im Gehirn genauer zu untersuchen, beispielsweise den Sauerstoffmangel im Gehirn, der bei einem Schlaganfall oder Herzinfarkt auftritt. Das neue Forschungsinstrument liefert bereits Erkenntnisse darüber, warum ein sitzender Lebensstil das Risiko für Krankheiten wie Alzheimer erhöhen kann.
„Diese Forschung zeigt, dass wir Veränderungen der Sauerstoffkonzentration kontinuierlich und in einem weiten Bereich des Gehirns überwachen können“, sagte Maiken Nedergaard, Co-Direktorin des Center for Translational Neuromedicine (CTN), das sowohl an der University of Rochester als auch an der University of Rochester ansässig ist der Universität Kopenhagen. „Dadurch erhalten wir in Echtzeit ein detaillierteres Bild davon, was im Gehirn passiert, und können so bisher unentdeckte Bereiche vorübergehender Hypoxie identifizieren, die Veränderungen im Blutfluss widerspiegeln, die neurologische Defizite auslösen können.“
Glühwürmchen und zufällige Wissenschaft
Die neue Methode nutzt lumineszierende Proteine, chemische Verwandte der biolumineszierenden Proteine, die in Glühwürmchen vorkommen. Diese Proteine, die in der Krebsforschung eingesetzt werden, nutzen ein Virus, das den Zellen Anweisungen gibt, ein leuchtendes Protein in Form eines Enzyms zu produzieren. Wenn das Enzym auf eine zweite chemische Verbindung trifft, ein Substrat namens Furimazin, erzeugt die chemische Reaktion Licht.
Wie bei vielen wichtigen wissenschaftlichen Entdeckungen wurde auch die Verwendung dieses Verfahrens zur Darstellung von Sauerstoff im Gehirn zufällig entdeckt. Felix Beinlich, PhD, Assistenzprofessor am CTN der Universität Kopenhagen, hatte ursprünglich vor, das Lumineszenzprotein zur Messung der Kalziumaktivität im Gehirn zu nutzen. Es stellte sich heraus, dass bei der Produktion der Proteine ein Fehler vorlag, der zu einer monatelangen Verzögerung der Forschung führte.
Während Beinlich auf eine neue Charge des Herstellers wartete, beschloss er, mit den Experimenten fortzufahren, um die Überwachungssysteme zu testen und zu optimieren. Das Virus wurde verwendet, um Anweisungen zur Enzymproduktion an Astrozyten zu übermitteln, allgegenwärtige Stützzellen im Gehirn, die die Gesundheit und Signalfunktionen von Neuronen aufrechterhalten, und das Substrat wurde über eine Kraniotomie in das Gehirn injiziert. Die Aufzeichnungen zeigten Aktivität, die durch eine schwankende Intensität der Biolumineszenz identifiziert wurde. Die Forscher vermuteten und bestätigten später, dass dies das Vorhandensein und die Konzentration von Sauerstoff widerspiegelte. „Die chemische Reaktion war in diesem Fall sauerstoffabhängig. Wenn also das Enzym, das Substrat und Sauerstoff vorhanden sind, beginnt das System zu leuchten“, sagte Beinlich.
Während bestehende Sauerstoffüberwachungstechniken Informationen über einen sehr kleinen Bereich des Gehirns liefern, konnten die Forscher in Echtzeit einen großen Abschnitt der Großhirnrinde der Mäuse beobachten. Die Intensität der Biolumineszenz korrespondierte mit der Sauerstoffkonzentration, was die Forscher anhand der Veränderung der Sauerstoffmenge in der Luft, die die Tiere atmeten, nachwiesen. Veränderungen der Lichtintensität korrespondierten auch mit der sensorischen Verarbeitung. Wenn beispielsweise die Schnurrhaare der Mäuse mit einem Luftstoß stimuliert wurden, konnten die Forscher beobachten, wie die entsprechende Gehirnregion aufleuchtete.
„Hypoxische Taschen“ könnten auf ein Alzheimer-Risiko hinweisen
Das Gehirn kann ohne Sauerstoff nicht lange überleben, ein Beweis dafür, dass neurologische Schäden schnell nach einem Schlaganfall oder Herzinfarkt entstehen. Aber was passiert, wenn sehr kleinen Teilen des Gehirns für kurze Zeit Sauerstoff entzogen wird? Diese Frage wurde von Forschern erst gestellt, als das Team im Nedergaard-Labor begann, sich die neuen Aufnahmen genau anzusehen. Bei der Überwachung der Mäuse beobachteten die Forscher, dass bestimmte winzige Bereiche des Gehirns manchmal für Minuten dunkel wurden, was bedeutete, dass die Sauerstoffversorgung unterbrochen wurde.
Der Sauerstoff zirkuliert im gesamten Gehirn über ein ausgedehntes Netzwerk aus Arterien und kleineren Kapillaren – oder Mikrogefäßen –, die das Gehirngewebe durchdringen. Durch eine Reihe von Experimenten konnten die Forscher feststellen, dass der Sauerstoffmangel aufgrund einer Kapillarstauung verhindert wurde, die auftritt, wenn weiße Blutkörperchen vorübergehend Mikrogefäße blockieren und den Durchgang sauerstofftransportierender roter Blutkörperchen verhindern. Diese Bereiche, die die Forscher „hypoxische Taschen“ nannten, waren im Gehirn von Mäusen im Ruhezustand häufiger anzutreffen als im aktiven Zustand der Tiere. Es wird angenommen, dass der Kapillarstau mit zunehmendem Alter zunimmt und in Modellen der Alzheimer-Krankheit beobachtet wurde.
„Die Tür steht nun offen, um eine Reihe von Krankheiten zu untersuchen, die mit Hypoxie im Gehirn verbunden sind, darunter Alzheimer, vaskuläre Demenz und Long-COVID, und wie ein sitzender Lebensstil, Alterung, Bluthochdruck und andere Faktoren zu diesen Krankheiten beitragen“, sagte Nedergaard . „Es bietet auch ein Werkzeug zum Testen verschiedener Medikamente und Arten von Übungen, die die Gefäßgesundheit verbessern und den Weg zur Demenz verlangsamen.“
Weitere Autoren sind Hajime Hirase von der University of Rochester, Antonios Asiminas, Verena Untiet, Zuzanna Bojarowska, Virginia Plá und Björn Sigurdsson von der University of Copenhagen sowie Vincenzo Timmel, Lukas Gehrig und Michael H. Graber von der University of Applied Sciences und Kunst Nordwestschweiz. Die Studie wurde mit Mitteln des National Institute of Neurological Disorders and Stroke, der Dr. Miriam and Sheldon G. Adelson Medical Research Foundation, der Novo Nordisk Foundation, der Lundbeck Foundation, des Independent Research Fund Denmark und des US Army Research Office unterstützt.
