Mikrogliazellen auf die Finger geschaut

Max-Planck-Forscher machen das Immunabwehrverhalten von Mikrogliazellen im Gehirn sichtbar

15. April 2005

Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg sowie vom Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen ist es gelungen, das Verhalten der Immunabwehrzellen im Gehirn erstmals direkt zu beobachten. In der aktuellen Ausgabe von Science (Science, Epub ahead of print, 14. April 2005) beschreiben die Forscher nicht nur das geschäftige Treiben dieser Zellen im gesunden Gehirn, sondern auch deren Abwehrreaktion in den ersten Stunden nach einer Hirnblutung. Das verwendete Beobachtungsverfahren lässt sich auch auf andere Krankheitsmodelle anwenden und die Untersuchung des Mikrogliazellverhaltens in diesen Modellen könnte das Verständnis von Hirnerkrankungen maßgeblich erweitern.

original
Mikrogliazelle in der Hirnrinde einer transgenen Maus. Die Fortsätze der Mikrogliazellen sind nicht statisch, sondern verändern sich fortwährend.

Das Gehirn umfaßt zwei Zellpopulationen: Neurone und Gliazellen. Neurone sind für die Informationsverarbeitung und -weiterleitung via elektrischer Aktivität zuständig. Gliazellen dagegen wurden in der Vergangenheit oft als reine Stützzellen angesehen, die Neurone im Wesentlichen mit Nährstoffen versorgen. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass Gliazellen eine weit größere Bedeutung für die Funktion des Gehirns haben als bislang angenommen.

Es gibt verschiedene Typen von Gliazellen: Oligodendrozyten beispielsweise bilden die so genannten Myelinscheiden um Nervenfasern. Sie isolieren die Nervenfaser elektrisch - ähnlich wie die Kunststoffhülle eines Kabels - und ermöglichen dadurch erst eine schnelle neuronale Signalübertragung. Die Astrozyten regulieren unter anderem die molekulare Zusammensetzung des Extrazellulärraumes und beeinflussen damit den Gleichgewichtszustand im Gehirn. Mikrogliazellen schließlich sind die immunkompetenten Zellen des Gehirn. Sie sind die ersten Zellen, die auf pathologische Ereignisse reagieren und die Immunantwort des Gehirns einleiten.

Bislang konnten Mikrogliazellen nur in vitro, d.h. außerhalb des lebenden Organismus, untersucht werden. Neue Verfahren erlauben es nun jedoch einen direkten Blick ins Gehirn zu werfen und diese Zellen in vivo zu untersuchen. Das Forscherteam der beiden Max-Planck-Institute in Heidelberg und Göttingen hat sich dabei zweier Schlüsseltechniken bedient: der Zwei-Photonen-Mikroskopie und dem transgenen Tiermodell. In den Mäusen waren die Mikrogliazellen genetisch so verändert, dass sie zusätzlich ein grün fluoreszierendes Protein produzierten. Diese Proteine wurden mit Laserlicht zum Leuchten angeregt und dadurch die Zellen im Mikroskop sichtbar gemacht - und zwar durch die intakte Schädeldecke der Maus.

original
Mikrogliazelle (grün) und Astrozyt (rot) nach Verletzung einer Blutkapillare. Die Fortsätze der Mikrogliazelle umschließen den geschädigten Gefäßabschnitt.

Bei diesen Untersuchungen fanden Axel Nimmerjahn, Frank Kirchhoff und Fritjof Helmchen nun heraus, dass die dünnen Fortsätze, sozusagen die "Finger" der Mikrogliazellen (Abb. 1) im gesunden Gehirn von Mäusen nicht in Ruhe sind, sondern ihre Umgebung fortwährend abtasten. Dabei interagieren sie mit Neuronen und anderen Zellen im Gehirn. Dieses Abtasten scheint ein wichtiger Mechanismus zum Aufrechterhalt des regulären Gleichgewichts und damit der gesunden Hirnfunktion zu sein.

Mit dem Laser konnten die Forscher aber nicht nur die Zellen sichtbar machen, sondern auch gezielt lokale Verletzungen der Blut-Hirnschranke verursachen. "Solche Verletzungen eignen sich als Modell für einen Bluthochdruck-bedingten Schlaganfall, bei dem ein - allerdings in der Regel größeres - Blutgefäß im Gehirn platzt und dadurch umliegende Bereiche schädigt", sagt Axel Nimmerjahn. Die Forscher konnten nun beobachten wie sich die Fortsätze der Mikrogliazellen innerhalb weniger Minuten ihren Weg durch das Dickicht umgebender Zellmaterie zum geschädigten Gefäßabschnitt bahnten, diesen scheinbar abdichteten (Abb. 2) und mit dem Abbau schädigender oder geschädigter Materie begannen. Dabei beteiligten sich umso mehr Mikrogliazellen an der Abwehrreaktion je schwerer die Verletzung, d.h. je größer das betroffene Areal war. Durch diesen neuartigen experimentellen Ansatz gelang es den Wissenschaftlern erstmals, die Reaktion der Immunabwehrzellen auf eine winzige Hirnblutung zu beobachten.

"Wir gehen davon aus, dass sich mit unserem Verfahren das Verhalten der Mikrogliazellen auch in anderen Krankheitsmodellen, wie zum Beispiel bestehenden Mausmodellen der Alzheimerschen Erkrankung, untersuchen lässt und wir dadurch zu einem besseren Verständnis der geschäftigen Immunabwehrzellen und ihrer Rolle bei Gehirnerkrankungen gelangen", erklärt Fritjof Helmchen. Für die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze zur Behandlung, aber auch zur Vorbeugung von Gehirnerkrankungen ist die Entschlüsselung der komplexen Vorgänge und zellulären Mechanismen des hirneigenen Abwehrsystems entscheidend.

Zur Redakteursansicht