Checkpoint im Gehirn: Jetzt in der Kulturschale

Ungestört vom turbulenten Geschäft der übrigen Organe laufen die sensiblen Hirnfunktionen ab. Eine Schranke macht unser Gehirn zum kontrollierten "extraterritorialen" Raum. Doch sie hält auch dringend erforderliche Medikamente fern. Mit der künstlichen Blut-Hirn-Schranke wollen die Forscher jetzt die Mechanismen der Barriere klären und einen Test zur Verfügung stellen, der Tierversuche ersetzt.

Nach der Entschlüsselung des menschlichen Genoms ist die Aufklärung der Mechanismen, die den höheren Hirnfunktionen wie Bewusstsein, Gedächtnis und Lernen zugrunde liegen, eine weitere große Herausforderung der biologischen Wissenschaften.

Ohne Zweifel sind in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte bei der Enträtselung der molekularen und physiologischen Prozesse gemacht worden, die den Hirnleistungen zugrunde liegen. So ist das in den sechziger Jahren noch vorherrschende Bild vom Gehirn als einem statisch verdrahteten Computer heftig ins Wanken geraten. Die neuronalen Strukturen weisen eine außerordentlich hohe Plastizität auf: Netzwerke, die für die Speicherung von Gedächtnisinhalten oder von Lernprozessen verantwortlich sind, verknüpfen sich ständig neu und alte Verbindungen werden abgebaut. Gegenüber anderen Organen unseres Körpers wie der Leber, dem Herz oder den Nieren besitzt das Gehirn eine geradezu aberwitzige strukturelle Inkonstanz - dies allerdings ausschließlich auf dem Niveau der sog. Synapsen, der Schnittstellen der Nervenzellen.

Dagegen hat die mikroskopisch sichtbare Anordnung der Nervenzellen in den verschiedenen Hirnregionen hohe Konstanz. Einmal während der Hirnreifung ausgebildet, bleibt sie weitgehend unverändert. Diese Mischung von dynamischen Anpassungsmechanismen eingebettet in das Raster einer hohen strukturellen Ordnung scheint eine Grundvoraussetzung für die Leistungen unseres Gehirns zu sein. Doch das Gehirn bedarf offenbar nicht nur eines fixen strukturellen Rahmens, sondern auch eines konstanten inneren Milieus. Das stoffliche Umfeld neuronaler Prozesse, wie die Konzentration von Ionen, Aminosäuren, Eiweißen und Hormonen in den Zellzwischenräumen, darf keine größeren Schwankungen aufweisen. Es könnte sonst die Hirnfunktionen stören. Auch ist ein unkontrolliertes "Hinüberschwappen" von stoffwechselaktiven Substanzen der Körperperipherie in die Funktionsbereiche der Nervenzellen nicht erlaubt.

Die Mechanismen der synaptischen Plastizität werden von subtilen lokalen Ereignissen begleitet, die ein feinst abgestimmtes molekulares Gleichgewicht des Hirnmilieus benötigen. Das "Ungestörtsein" vom turbulenten Geschäft der übrigen Organe ist deshalb eine Voraussetzung für die Hirnfunktionen. Das Gehirn existiert in einer Art kontrolliertem, "extraterritorialem" Raum, der es zwar nicht unabhängig von der Körperperipherie macht, jedoch einen Schonraum darstellt, in dem das zentrale Nervensystem seine Funktionen entfalten kann. Mit einer Art Schrankensystem (Blut-Hirn-Schranke) hat der Organismus dem Gehirn besondere Konditionen eingeräumt. Erst dieses Schrankensystem verhilft dem Gehirn zu der erforderlichen hohen Stabilität seines inneren Milieus.

Schranke sichert "Schonraum Gehirn"

Einige Beispiele sollen die Notwendigkeit einer solchen Schranke zwischen dem Gehirn und den übrigen Organen verdeutlichen. Im Bereich des Magen-Darm-Traktes werden zahlreiche Gewebshormone produziert, die wichtige Funktionen bei der Verdauung besitzen: z. B. das sog. Cholecystokinin, das die Sekretion der Galle aus der Leber und die Kontraktion der Gallenblase fördert, oder das in der Bauchspeicheldrüse produzierte und in den Glucosestoffwechsel mit eingreifende Hormon Somatostatin. Verblüffenderweise spielen diese Hormone im zentralen Nervensystem als sog. Neuropeptide ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Erregungsübertragung an den synaptischen Enden der Nervenzellen. Auch an den Prozessen der Plastizität ("Lernfähigkeit") der Synapsen sind sie beteiligt.

Würden diese Peptidhormone (kurze Eiweißketten), die zum Teil frei im Blut zirkulieren, in das Gehirn gelangen, so käme es zu erheblichen Änderungen seines inneren Milieus mit der Konsequenz einer Störung neuronaler Funktionen. Für die meisten dieser Peptidhormone stellt die Blut-Hirn-Schranke ein unüberwindbares Hindernis dar. Unter Krankheitsbedingungen wie bei Entzündungen des Gehirns kann es jedoch zu einer "Öffnung" der Schranke mit den beschriebenen Folgen kommen.

Die wichtige physiologische Funktion der Schranke kann unter therapeutischen Aspekten aber auch hinderlich sein, z.B. wenn Medikamente in ausreichenden Mengen in das Gehirn gelangen sollen. Da der Blutraum die Grenzzone zwischen dem Hirngewebe und der Körperperipherie bildet, ist die Schranke an den Blutgefäßen manifestiert (s. Abb. 1).

Zu diesem Zweck haben die zahlreichen feinen Haargefäße des Gehirns (Kapillaren) besondere Eigenschaften ausgebildet, die sie von den übrigen Kapillaren des Körpers unterscheiden (Abb. 1). Die wichtigsten Mitspieler im Arrangement der Blut-Hirn Schranke sind die Endothelzellen, die die Gefäßewände auskleiden und mit dem Blutstrom in unmittelbarem Kontakt stehen.
Diese Zellen bilden einen lückenlosen Verband und sind untereinander durch Zellkontakte abgedichtet, so dass weder Blutzellen noch lösliche Bestandteile des Blutes die Barriere frei passieren können.

Nährstoffe hinein, Abfälle heraus

Da aber die Nervenzellen kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt werden müssen und umgekehrt ständig Abfallstoffe aus dem Gehirn heraustransportiert werden, muss ein Austausch von Substanzen in beide Richtungen garantiert sein (s. Abb. 3).

Die Endothelzellen sind mit einer Reihe von spezialisierten Vehikel-Molekülen ausgestattet, die diese Funktion übernehmen. Steigt zum Beispiel in einer Hirnregion die Aktivität der Nervenzellen an, so spiegelt sich dies in einer vermehrten Durchblutung wider. Die Erhöhung der Durchblutung ist ein Anpassungsmechanismus, um der aktiven Region ausreichend Sauerstoff und Glucose zuzuführen.

An der Glucose zeigt sich eindrucksvoll das gut ausbalancierte System. Glucose ist der wichtigste Energielieferant für die Nervenzellen. Jede Aktivitätserhöhung der Nervenzellen führt lokal zu einem vermehrten Glucoseverbrauch. Ob wir Muskelarbeit verrichten oder ein Musikstück hören, immer kommt es zu einer Erhöhung neuronaler Aktivitäten in dem Gehirnbereich, der für diese Funktion verantwortlich ist. Wenn der Energieverbrauch ansteigt, wird im Ausgleich vermehrt Glucose aus dem Blut ins Gehirngewebe transportiert, um so die optimale Versorgung der Nervenzellen mit Glucose zu gewährleisten. Zu diesem Zweck gibt es spezielle Transporter in den Zellmembranen der Endothelzellen, die die Glucose rasch ins Hirngewebe "schaufeln".

Auch Aminosäuren, die im Gehirn für die Synthese von Botenstoffen (Neurotransmittern) und Proteinen benötigt werden, können über spezielle Aminosäuretransporter durch die Endothelzellen vom Blut ins Gehirn geschleust werden. Der umgekehrte Weg ist ebenfalls möglich. So werden zum Beispiel bestimmte kleine ÿ-Aminosäuren wie Glycin und Aminobuttersäure (GABA) im Gehirn selbst gebildet und wirken als hemmende Neurotransmitter auf Nervenzellen. Zur Kontrolle ihrer Konzentration im Gehirn sind Transportsysteme vorhanden, die diese kleinen Aminosäuren selektiv vom Gehirngewebe ins Blut transportieren.

Neben den aktiven Transportsystemen besitzt die Blut-Hirn-Schranke des Endothels auch Enzyme, die im Gehirn unerwünschte Stoffwechselprodukte rasch abbauen. Damit übernimmt die Schranke eine Art Entgiftungsfunktion. Diese abbauenden Komponenten können therapeutisch eine kontraproduktive Wirkung gegenüber Medikamenten haben. So können Anti-Tumor-Substanzen, die aufgrund ihrer fettliebenden Eigenschaften die Zellmembran der Endothelzellen passieren, durch ein spezielles Enzym des Endothels (PGlycoprotein, entspricht MDR: multy drug resistance gene) wieder aus den Zellen herausgepumpt werden. Die Konsequenz ist eine zu geringe Konzentration der Wirkstoffe, wodurch der gewünschte Effekt auf die Tumorzellen im Gehirn ausbleibt.

Ähnliches gilt auch für Medikamente, die gegen die AIDS-Erkrankung eingesetzt werden. Der Erreger - das HI-Virus - besitzt die fatale Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke überwinden zu können. Er kann sich im Gehirn einnisten und dort massive entzündliche Veränderungen bis hin zur Tumorbildung auslösen. Heute weiß man, dass ein erheblicher Prozentsatz der HIV-Erkrankten an Infektionen des Gehirns leidet und daran stirbt. Die Vermehrung des Virus im Gehirn lässt sich aber nur dann effektiv verhindern, wenn die eingesetzten Medikamente die Schranke passieren können.

Ein klassisches Beispiel für die therapeutische Überwindung der Blut-Hirn-Schranke ist die Entwicklung des Anti-Parkinson-Medikamentes L-DOPA. Die Parkinsonsche Erkrankung beruht auf einem Verlust von Nervenzellen im Mittelhirn, die den Neurotransmitter Dopamin produzieren. Die einfachste therapeutische Strategie wäre, den Verlust dieses Transmitters medikamentös zu kompensieren. Leider verhindert ein Enzym der Blut-Hirn-Schranke, dessen normale Funktion der Abbau des natürlich vorkommenden Dopamins ist, ein Eindringen dieser Substanz vom Blut ins Hirngewebe. Eine Vorstufe des Dopamins, das sog. L-DOPA, hingegen kann ungehindert die Kapillaren passieren und unterliegt nicht diesem Abbaumechanismus. So steht mit dem L-DOPA ein wirksames Medikament zur Behandlung des Parkinsonismus zur Verfügung.

Zum Glück gibt es eine ganze Reihe von Medikamenten, die ungehindert durch die Blut-Hirn-Schranke gelangen. So passieren alle gängigen Narkosemittel die Schranke, auch Schmerzmittel gelangen durch die Barriere, während Antibiotika wie das klassische Penicillin nur unter Entzündungsbedingungen ins Gehirn übertreten. Häufig sind es nur kleine Veränderungen an den Molekülen, die über eine Passierbarkeit entscheiden. Damit kommt dem Test auf "Schrankengängigkeit" pharmakologisch aktiver Substanzen eine entscheidende Rolle zu, wenn diese bei Hirnerkrankungen eingesetzt werde sollen. Derartige Tests können im Tierversuch erfolgen. Wünschenswert wäre es aber, Zellkulturmodelle zur Verfügung zu stellen, die Tierversuche ersetzen können. Es ist schwierig, künstliche Blut-Hirn-Schranken zu entwickeln, weil die isolierten Zellen in der Kultur sehr rasch ihre Schrankenfunktion verlieren. Wir haben deshalb versucht, durch eine Mischung verschiedener Zellen und durch Zugabe entsprechender Wachstumsfaktoren eine Art künstliche Blut-Hirn-Schranke in der Kulturschale zu kreieren (s. Info).
Zuerst musste herausgefunden werden, welche Zellen für eine künstliche Blut-Hirn-Schranke überhaupt notwendig sind.

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Künstliche Blut-Hirn-Schranke

Eine künstliche Blut-Hirn-Schranke ist ein Modell, an dem sich die Passage von Medikamenten oder Zellen durch diese Barriere außerhalb des Gehirns untersuchen lässt. Für die Pharmakologie bietet die künstliche Blut-Hirn Schranke die Möglichkeit, Substanzen auf ihre sog. Schrankengängigkeit zu testen und somit in erheblichem Umfang Tierexperimente einzusparen. Im Rahmen der Grundlagenforschung können die molekularen Mechanismen des Transportes von Substanzen in der Kulturschale (in vitro) studiert werden. Um eine in vitro-Schranke aufzubauen, müssen zunächst die einzelnen Zellen der Blut-Hirn-Schranke isoliert und kultiviert werden. Erst bei optimalen Bedingungen bleiben die typischen Schranken-Eigenschaften auch in den Zellkulturen erhalten. Das zelluläre Arrangement der Blut-Hirn-Schranke besteht aus Endothelzellen, Gliazellen (Astrozyten) und Perizyten (s. Abb. 1). Perizyten treten im Gehirn im Gegensatz zu anderen Organen besonders zahlreich auf. Sie umklammern die Endothelzellen mit ihren Fortsätzen und sind gemeinsam mit diesen in eine aus feinsten Fasern bestehende Basalmembran eingebettet. Die Bedeutung der Perizyten für die Blut-Hirn-Schranke wurde lange Zeit unterschätzt und ist bis heute nur unzureichend geklärt. Wir haben die Aminopeptidase N als Membranenzym des Gehirns identifiziert, mit dessen Hilfe Perizyten Neuropeptide abbauen. Damit scheinen Perizyten aktiv an der Regulation der Blut-Hirn-Schranke beteiligt zu sein. Auch beim Aufbau einer künstlichen Blut-Hirn-Schranke kann auf Perizyten offensichtlich nicht verzichtet werden. Als drittes "zelluläres Mitglied" der Blut-Hirn Schranke fungieren die Astrozyten (zerebrale Gliazellen). Sie umfassen mit ihren Endfüßchen die Endothelzellen und Perizyten einschließlich der Basalmembran und bieten den Blutgefäßen einen mechanischen Schutz. Bei niederen Wirbeltieren bilden die Astrozyten die eigentliche Schranke um die Gehirngefäße, bei höheren Wirbeltieren tragen sie zur Ausbildung und Aufrechterhaltung der intakten Barriere bei. Die Astrozyten sind zugleich Bindeglied zwischen den Gefäßen und den Nervenzellen: Sie wandeln die über die Gefäße aufgenommene Glucose in Milchsäure um und bieten sie den Nervenzellen als Energielieferant an. Für eine in vitro-Blut-Hirn-Schranke sind offenbar alle drei Zellelemente notwendig. Nur ihr Zusammenspiel ermöglicht eine wirkungsvolle Barriere mit komplexen Regulationsmechanismen. Dabei ist nicht nur der physische Kontakt der Zellen, sondern auch die Ausschüttung löslicher Faktoren von Bedeutung: Die Endothelzellen scheiden verschiedene Faktoren aus, die das Zellwachstum und die Differenzierung von Perizyten und Astrozyten stimulieren. Umgekehrt ist die Anwesenheit von Astrozyten und Perizyten notwendig, um die Endothelzellen "schrankenfähig" zu machen.