Mehr als Nervenkitt |
 | 03.12.2013 17:46 Uhr |
Von Christina Hohmann-Jeddi / Lange standen sie im Schatten der Neurone, doch nun wird immer deutlicher, wie viele und entscheidende Funktionen Gliazellen im zentralen Nervensystem besitzen. Komplexe Gehirne wie die der Wirbeltiere wären ohne sie gar nicht möglich.
Das menschliche Gehirn ist das zentrale Organ: Es reguliert die Körperfunktionen, steuert die Bewegungen der Muskeln und bestimmt das gesamte Denken, Fühlen und Handeln. Hierfür arbeiten in ihm etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die in einem verzweigten Netz Informationen verarbeiten und elektrische Signale weiterleiten. Aber im Gehirn ist noch eine zweite Art von Zellen aktiv, die etwa in gleicher Zahl vorkommen: die Gliazellen. Lange wurde ihnen nur eine Nebenrolle zugeschrieben. Zurück geht dies auf den Mediziner Rudolf Virchow, der die Zellen im Jahr 1856 entdeckte. Weil sie nicht elektrisch erregbar waren wie die Neurone, hielt er sie für eine Art Bindegewebe mit Stützfunktion für die Nervenzellen und gab ihnen den Namen »Glia« – das griechische Wort für Leim. Sie galten als »Ammen« der Neurone, die diese ernähren und versorgen.
Auf 100 Milliarden Nervenzellen im menschelichen Gehirn kommt die gleiche Zahl an Gliazellen, die lange Zeit wenig erforscht wurden.
Foto: Fotolia/nobeastsofierce
Dementsprechend richtete sich das Augenmerk der Hirnforscher über Jahrzehnte auf die Nervenzellen. Doch seit einigen Jahren ist jetzt bekannt, dass die Gliazellen mehr sind als Bindegewebe. Sie nehmen aktiv am Informationsaustausch teil und scheinen diesen sogar zu koordinieren. »In der Fachwelt ist mittlerweile anerkannt, dass die Funktionen des Gehirns und seine Erkrankungen nur verstanden werden können, wenn alle Zellarten betrachtet werden«, sagte Professor Dr. Helmut Kettenmann vom Max-Delbrück-Zentrum für Molekulare Medizin in Berlin-Buch im Gespräch mit der Pharmazeutischen Zeitung.
Gliazellen sind grob in drei Arten zu unterscheiden: Die häufigste Form sind Astrozyten, mit einem Anteil von etwa 80 Prozent der gesamten Glia. Daneben kommen noch Oligodendrozyten und Mikroglia im ZNS vor. Diese drei Zelltypen besitzen ganz unterschiedliche Funktionen, sagte Kettenmann. Oligodendrozyten zum Beispiel sind für die Myelinisierung der Ausläufer der Neuronen, den sogenannten Axonen, zuständig. Die Gliazellen bilden eine Isolierung um die Axone, die Myelinschicht, eine lipidreiche Membran. Diese Ummantelung erlaubt eine schnellere Erregungsleitung. »Die Myelinisierung ist die zentrale Erfindung der Wirbeltiere«, sagte Kettenmann. Als Beispiel nannte er den optischen Nerv, der etwa eine Million myelinisierte Axone umfasst, die mit hoher Geschwindigkeit Aktionspotenziale leiten. Um die Erregungsleitung ohne Myelin zu beschleunigen, müsste der Durchmesser der Axone erheblich vergrößert werden, so der Biologe. Eine Version des optischen Nervs ohne Myelin müsste einen Durchmesser von 0,75 m haben, um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen. Dies verdeutliche, dass komplexe Gehirne ohne Myelin nicht möglich wären, sagte Kettenmann. »Dann hätte das menschliche Gehirn einen Durchmesser von etwa 20 Metern.«
Glia als Verteidigungssystem
Der zweite Gliazelltyp, die Mikroglia, stellen das Immun- und Verteidigungssystem des Gehirns dar. Sie schützen es gegen Krankheitserreger und Verletzungen. Hierfür tasten die Mikrogliazellen, die einen kleinen Zellkörper, aber lange dünne Ausläufer besitzen, mit diesen tentakelartigen Fortsätzen fortlaufend ihre Umgebung ab. Bis zu 1,5 µm pro Minute legen sie dabei zurück und sind damit die schnellsten sich bewegenden Strukturen im Gehirn. Stoßen sie beim Abtasten auf ein schädliches Agens, wandeln sie sich in eine mobile Form um. Dafür ziehen sie ihre Fortsätze ein und runden sich ab. Dann bewegen sie sich amöboid auf die beschädigte Stelle zu. Ausgelöst werden kann diese Umwandlung unter anderem durch Bakterienbestandteile, Zytokine, aber auch Proteinablagerungen wie ß-Amyloid-Plaques. Am Ort der Schädigung angekommen phagozytieren die Mikrogliazellen dann pathologische Strukturen oder ganze geschädigte oder abgestorbene Zellen.
Zudem sind sie in der Lage, auf ihrer Zelloberfläche Antigene zu präsentieren und somit T-Lymphozyten zu aktivieren. »Bislang hatte man angenommen, dass die Mikroglia von Vorläuferzellen der Makrophagen abstammen, doch jetzt zeigt sich, dass es sich um eine eigene Zelllinie handelt, die aus dem Dottersack stammt und sehr früh in der Embryonalentwicklung auf ihr Schicksal festgelegt wird«, sagte Kettenmann.
Sternförmige Koordinatoren
Astrozyten, die ihren Namen von ihrer sternförmigen Struktur haben, sind eine sehr heterogene Gruppe von Zellen, die alle Zellarten im Gehirn umfasst, die nicht zur Mikroglia, Neuronen oder zu den Oligodendrozyten gehören. Ihnen werden verschiedene Funktionen zugeschrieben. Die sogenannte Radialglia bildet als eine Art Stammzelle neuronale Vorläuferzellen, die sich dann zu Nervenzellen entwickeln
Astrozyt in der Zellkulturschale: Die sternförmigen Zellen greifen aktiv in die Kommunikation zwischen Neuronen ein.
Foto: MDC/Jochen Meier
Außerdem nehmen Astrozyten aktiv an der Kommunikation zwischen Neuronen teil. Hierfür wurde das Konzept der tripartiten Synapse entwickelt. Diesem zufolge spielen bei der Signalübertragung drei Strukturen eine Rolle: neben der präsynaptischen und der postsynaptischen Struktur ist dies der sie umgebende Astrozyt. Im Hippocampus etwa sind rund 60 Prozent aller axo-dendritischen Synapsen von Astrogliazellen umhüllt. Neurotransmitter, die von der präsynaptischen Membran freigesetzt werden, stimulieren sowohl die postsynaptische Neuronenmembran als auch die astrogliale Membran. Somit wird ein Signal sowohl im nachfolgenden Neuron als auch in der Gliazelle erzeugt. Letztere kann dann das Signal, in Form eines Calciumeinstroms, an benachbarte Gliazellen weitergeben. Eine solche Calciumwelle kann sich mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 μm pro Sekunde ausbreiten und bis zu Hunderte von Astrozyten erregen, zum Teil kann dies wieder eine Freisetzung von Neurotransmittern auslösen. Diese astrozytären Signale wandern aber deutlich langsamer als die elektrischen Signale der Neurone.
An der Synapse haben die Astrozyten aber auch die Aufgabe, ausgeschüttete Neurotransmitter rasch wieder aus dem synaptischen Spalt zu entfernen, um weitere Signalübertragungen zu ermöglichen, erklärte Kettenmann. So zum Beispiel den aktivierenden Neurotransmitter Glutamat. Wenn dieser über einen längeren Zeitraum in hoher Konzentration vorliegt, wirkt er zytotoxisch. Nach der Freisetzung in den synaptischen Spalt muss der Glutamat-Überschuss daher schnell beseitigt werden, was die Astrozyten zu großen Teilen übernehmen. Sie beseitigen aber nicht nur Neurotransmitter, sondern können selbst auch Botenstoffe (sogenannte Gliotransmitter) wie ATP oder D-Serin ausschütten und die Signalübertragung an den Synapsen modulieren. Dabei geht man davon aus, dass eine Gliazelle bis zu 100 000 Synapsen kontaktieren und dabei die neuronale Aktivität regulieren kann.
Zudem ist mittlerweile bekannt, dass Gliazellen im Prinzip für die Plastizität des Gehirns verantwortlich sind und somit für das Lernen und Gedächtnis. Denn Astrozyten regulieren die Bildung und die Stabilität von Synapsen. Sie schütten Faktoren aus, die Neurone zur Synapsenbildung motivieren, oder Botenstoffe, die bestehende Verbindungen lösen. Damit kontrollieren sie den Umbau der neuronalen Struktur und bilden die Grundlage für Lernprozesse.
Störungen der Gliafunktion
Aufgrund der vielen wichtigen Funktionen der Gliazellen ist auch verständlich, dass bei Störungen der Glia Probleme auftreten und Krankheiten entstehen. Bei der Multiplen Sklerose, die durch eine Demyelinisierung gekennzeichnet ist, ist die Beteiligung der Glia offensichtlich. Doch Kettenmann geht noch weiter: »Es gibt keine neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen, bei denen die Glia keine Rolle spielt.« Die Pathogenese dieser Erkrankungen könne nur verstanden werden, wenn alle Zelltypen im Gehirn betrachtet und untersucht würden.
So wird derzeit die Rolle der Gliazellen zum Beispiel in der Alzheimer-Pathogenese erforscht. »Es gibt Hinweise aus Mausmodellen, dass eine Alzheimer-Erkrankung auf eine Störung der Mikroglia-Funktion zurückgehen könnte«, sagte Kettenmann. US-amerikanische Neurobiologen entdeckten zudem, dass ß-Amyloid über Interaktion mit einem Nicotin-Rezeptor in Astrozyten eine Freisetzung von Glutamat triggert, die den Glutamat-Überschuss noch verstärkt und schließlich zu einer Inaktivierung der Synapse führt. Dies könnte für die Entstehung der kognitiven Probleme bei Alzheimer-Patienten verantwortlich sein.
In Verdacht stehen Astrozyten auch, Epilepsie auszulösen. Bei einem Anfall feuern Neurone eines Areals synchron, was eventuell auf eine Störung der Gliazellfunktion an den Synapsen und daraus bedingten Überaktivierung der Neurone zurückgehen könnte.
Obwohl man einige Puzzleteile von der Pathologie gefunden hätte, sei man weit davon entfernt, Erkrankungen wie Schizophrenie, Alzheimer oder Depression zu verstehen, so Kettenmann. Besonders wichtig sei daher die Gliaforschung, denn diese hänge der Neuronenforschung um Jahrzehnte hinterher. /
