Extrem tiefgekühlte Hirnregion kann nach Auftauen wieder elektrische Lernreize verarbeiten
Studie der FAU und des Uniklinikums Erlangen bahnt den Weg zur
Kryokonservierung von neuronalem Gewebe
Forschenden der Friedrich-Alexander-Universitä
und des Uniklinikums Erlangen ist es gelungen, Gehirngewebe durch extreme
Tiefkühlung zu konservieren. Nach dem Auftauen begannen die Neurone
wieder, elektrische Signale auszutauschen.
Das Verfahren könnte
beispielsweise genutzt werden, um Hirngewebe haltbar zu machen, das bei
Operationen entnommen wurde, um es dann später zu untersuchen. Damit
könnte es auch die Entwicklung von Medikamenten erleichtern. Die
Ergebnisse erscheinen in der Fachzeitschrift PNAS.
Der sibirische Salamander ist ein außergewöhnliches Tier: Vereinzelten
Berichten zufolge kann er bei Temperaturen von 50 Grad unter dem
Gefrierpunkt in einer Art Winterstarre überleben und mehrere Jahrzehnte im
Permafrost überdauern. Sobald die Außentemperatur steigt, erwacht der
Schwanzlurch wieder zu ganz normaler Aktivität.
Diese Fähigkeit verdankt er seiner Leber: Sie kann den Alkohol Glyzerin
produzieren, der im Körper des Tieres als eine Art Frostschutzmittel
fungiert. Das senkt den Gefrierpunkt und hilft, Zellen und Gewebe während
des Einfrierens und Auftauens vor Schäden zu schützen. „Die Bildung von
Eiskristallen ist der Grund, warum extreme Kälte normalerweise so
schädlich für Lebewesen ist“, erklärt Dr. Alexander German von der
Molekular-Neurologischen Abteilung (Leiter: Prof. Dr. Jürgen Winkler) am
Uniklinikum Erlangen. „Denn die Kristalle können Zellen mechanisch
schädigen und so die empfindliche Nanostruktur des Gewebes zerstören.“
Gewebsflüssigkeit erstarrt zu einem glasähnlichen Zustand
Auch menschliche Embryonen lassen sich durch extreme Tiefkühlung über
viele Jahre konservieren. Dazu versetzt man die Zellen mit Chemikalien,
die ähnlich wie Glyzerin die Entstehung von Eiskristallen verhindern.
„Zwar erstarrt das Gewebe ebenfalls, wenn es auf unter -130 Grad abgekühlt
wird“, sagt German. „Dabei geht das Wasser in und zwischen den Zellen
jedoch in einen glasähnlichen Zustand über.“ Glas ist wie Eis fest; die
Moleküle in ihm liegen aber ungeordnet vor - nicht regelmäßig wie in einem
Kristall.
Das Verfahren wird „Vitrifikation“ genannt. Bislang ist es damit aber noch
nicht gelungen, Nervengewebe oder gar ganze Teile des Gehirns
einzufrieren, so dass sie nach dem Auftauen wieder ihre Funktion aufnehmen
können. Ein Grund dafür ist, dass die eingesetzten „Frostschutzmittel“
ihrerseits toxisch für die empfindlichen Zellen sind. Zudem ist Hirngewebe
besonders empfindlich: In ihm sind Abermillionen Nervenzellen über
zahllose winzige Kontakte miteinander verknüpft, die Synapsen. Über sie
tauschen die Neurone ihre Informationen aus.
Konservierungsmittel und Einfriervorgang optimiert
Bisherige Vitrifikations-Verfahren zerreißen dieses hochkomplexe Netz und
schädigen zudem die Synapsen. Selbst wenn die einzelnen Zellen überleben,
ist die eingefrorene Struktur daher nicht mehr funktionsfähig. „Wir haben
jedoch die Zusammensetzung der Konservierungsmittel sowie den
Abkühlvorgang so optimiert, dass das neuronale Gewebe intakt bleibt“,
betont der Wissenschaftler.
Das Team hat den Erfolg seiner Methode an Hirnschnitten erprobt. Zudem
kühlten die Beteiligten auf diese Weise auch eine komplette Hirnstruktur
des Nagers auf -130 Grad herunter, den Hippocampus. Dieser spielt bei der
Speicherung von Gedächtnisinhalten eine wichtige Rolle. „Wir konnten mit
Elektronenmikroskopie-Aufnahme
Gewebes sich durch den Einfrier-Vorgang nicht veränderte“, sagt German.
„Nach dem Auftauen bildeten sich im Hippocampus zudem wieder spontan
elektrische Signale, die sich ganz normal über die neuronalen Netzwerke
fortpflanzten.“
Die Neurone begannen aber nicht nur wieder damit, Informationen
auszutauschen. Die Hirnforscherin Dr. Fang Zheng vom Institut für
Physiologie und Pathophysiologie (Leiter: Prof. Dr. Christian Alzheimer)
der FAU konnte zeigen, dass sich bei den Synapsen der Nervenzellen auch
die sogenannte Langzeitpotenzierung auslösen ließ. Darunter versteht man
einen zellulären Schlüsselprozess, der dafür sorgt, dass häufig genutzte
Synapsen gestärkt werden und so Informationen besonders gut übertragen.
„Für Lernvorgänge und die Speicherung neuer Gedächtnisinhalte ist dieser
Mechanismus von zentraler Bedeutung“, sagt German.
Behandlung unheilbarer Erkrankungen in die Zukunft verschieben?
Die in der Studie entwickelte Methode erlaubt es also offenbar, Hirngewebe
in einem funktionsfähigen Zustand über lange Zeit zu konservieren und
später erneut funktionell zu untersuchen. Beispielsweise werden bei
manchen Menschen mit Epilepsie im Rahmen einer Operation Nervenzellen
entnommen. Derartige Proben könnten so Jahre später für den Test von
Medikamenten genutzt werden. Auch für die Erforschung von
neurodegenerativen Erkrankungen ist die Kryokonservierung von pathologisch
verändertem Gewebe wichtig.
Alexander German hofft zudem, dass es zukünftig möglich sein wird, ganze
Organismen in eine Art künstliche Winterstarre zu versetzen und nach
längerer Zeit daraus zu erwecken. „Das könnte zum Beispiel eine Option für
die Raumfahrt sein - oder für Menschen, die unter einer momentan
unheilbaren Krankheit leiden“, sagt er. „Denn zu einem späteren Zeitpunkt
gibt es vielleicht eine Therapie-Option, die der betroffenen Person helfen
kann.“
Direkt zur Studie:
https://doi.org/10.1073/pnas.2
