Mit der Alzheimer-Krankheit verbundene Mutationen können die Verbindung zwischen Nerven und Muskeln beeinträchtigen
- Mutationen, die mit der erblichen Alzheimer-Krankheit in Verbindung stehen, störten in einem Labormodell die Verbindung zwischen Motoneuronen und gesunden Muskelzellen.
- Im experimentellen System fehlten Gehirn und Rückenmark, was auf einen möglichen direkten Einfluss der Mutationen auf die peripheren Nerven hindeutet.
- Die Arbeit klärt nicht, ob Veränderungen des Gangbilds bei Patienten als frühes diagnostisches Anzeichen dienen können.
Was das Experiment mit Nerven und Muskeln zeigte
Die Alzheimer-Krankheit wird gewöhnlich mit nachlassendem Gedächtnis, Verwirrtheit und einer Abnahme der kognitiven Fähigkeiten in Verbindung gebracht. Bei manchen Menschen können Veränderungen des Gleichgewichts, der Koordination oder des Gangbilds jedoch schon Jahre vor deutlich erkennbaren Denkproblemen auftreten. Forschende der University of Central Florida untersuchten, ob einige dieser motorischen Beeinträchtigungen nicht nur auf Veränderungen im Gehirn zurückzuführen sind, sondern auch durch direkte Auswirkungen krankheitsbedingter Mutationen auf die Nerven entstehen können, die die Muskeln steuern.
Das Team untersuchte eine erbliche Form der Alzheimer-Krankheit – eine seltene Variante, die meist früher als die häufige Form auftritt, im Alter zwischen 40 und 65 Jahren. In einem Labormodell beeinträchtigten Motoneuronen mit Mutationen, die mit dieser Krankheitsvariante in Zusammenhang stehen, die Funktion der Verbindungen, über die Nervenzellen die Muskeln steuern. Dies geschah sogar, obwohl in dem Modell Gehirn und Rückenmark, also das zentrale Nervensystem, vollständig fehlten.
Dieses Ergebnis verändert die Fragestellung zu den möglichen Ursachen früher Bewegungsprobleme. Wenn die Verbindung zwischen Nerven und Muskeln unmittelbar durch Mutationen beeinträchtigt wird, lassen sich die motorischen Symptome nicht ausschließlich durch Hirnschäden erklären. Die Studienleiter James Hickman und Xufan „Nadine“ Guo vermuten, dass motorische Beeinträchtigungen früher als zentrale Symptome auftreten könnten. Die Arbeit wies diesen Effekt jedoch in einem Labormodell nach und stellte nicht fest, wann solche Veränderungen bei Menschen auftreten.
Warum das periphere Nervensystem wichtig ist
Motorische Neuronen übermitteln den Muskeln die Signale, die für Kontraktion und Bewegung erforderlich sind. Nerven außerhalb von Gehirn und Rückenmark gehören zum peripheren Nervensystem; sie übertragen Signale zwischen dem zentralen Nervensystem und dem übrigen Körper. Forschende haben gezeigt, dass Mutationen, die mit der erblichen Alzheimer-Krankheit in Zusammenhang stehen, diese Signalübertragung an der Kontaktstelle zwischen Nervenzelle und Muskelgewebe beeinträchtigen können.
Um diese Idee zu überprüfen, entwickelten die Wissenschaftler ein Modell der neuromuskulären Verbindung – der Stelle, an der ein motorisches Neuron mit einer Muskelzelle interagiert. Es bestand aus gesunden Muskelzellen und motorischen Neuronen, die aus Stammzellen mit Mutationen im Zusammenhang mit der familiären Form der Krankheit gewonnen wurden. Anschließend untersuchten die Forschenden, wie wirksam die veränderten Neuronen Signale an das gesunde Muskelgewebe übermittelten. Gehirn und Rückenmark waren in diesem System bewusst nicht enthalten.
Gerade das Fehlen eines zentralen Nervensystems half dabei, einen möglichen direkten Einfluss der Mutationen auf die neuromuskuläre Verbindung von den Folgen einer Hirnschädigung abzugrenzen. Das Experiment ergab, dass die veränderten Neuronen eine normale Interaktion mit den Muskeln schlechter gewährleisten konnten. Hickman merkte an, dies sei der erste experimentelle Nachweis dafür, dass Störungen des peripheren Nervensystems unmittelbar durch solche Mutationen entstehen können. Diese Schlussfolgerung bezieht sich auf ein Labormodell und bestätigt nicht, dass alle motorischen Symptome der Krankheit dieselbe Ursache haben.
Wie die Forschenden das Modell auf einem Chip entwickelten
Für die Arbeit kam die von Hesperos entwickelte und hergestellte „Mensch-auf-einem-Chip“-Technologie zum Einsatz. Hickman ist einer der Mitbegründer des Unternehmens. Solche miniaturisierten Systeme vereinen verschiedene Arten menschlicher Zellen unter kontrollierten Bedingungen, um einzelne biologische Prozesse nachzubilden. Anders als Versuche mit isolierten Zellen ermöglichen sie es, das Zusammenspiel von Geweben zu untersuchen und nicht nur die Reaktion eines einzelnen Zelltyps.
Die Forschenden verwendeten Stammzellen, da diese sich in spezialisierte Zellen verwandeln können, darunter auch in Motoneuronen. Neuronen mit Mutationen wurden mit gesundem Muskelgewebe zusammengebracht und die Signalübertragung untersucht. Solche Modelle bieten auch eine Alternative zu Tierversuchen: Wie die Quelle der Studie erläutert, bilden Tiermodelle das Verhalten menschlicher Erkrankungen nicht immer genau ab. Dennoch bleibt das Zellsystem ein Labormodell und keine Beobachtung an Patientinnen und Patienten.
Die neuromuskuläre Verbindung ist für willkürliche Bewegungen erforderlich: Ein Signal wird entlang des Motoneurons weitergeleitet, löst die Interaktion mit dem Muskel aus und führt zu dessen Kontraktion. Diese Abfolge spielt beim Gehen, beim Halten der Körperhaltung, beim Heben von Gegenständen und bei präzisen Bewegungen eine Rolle. Eine gestörte Signalübertragung könnte sich daher potenziell auf verschiedene motorische Funktionen auswirken. In der vorgestellten Studie wurde die Funktion der Verbindung zwischen Nerven- und Muskelzellen untersucht, nicht aber der Gang oder das Gleichgewicht von Menschen mit Alzheimer gemessen.
Was die Ergebnisse bedeuten – und was sie bislang nicht belegen
Die praktische Bedeutung des Ergebnisses besteht vorerst vor allem in einer neuen Richtung für die Untersuchung von Symptomen. Wenn Bewegungsstörungen tatsächlich außerhalb des Gehirns auftreten können, behandeln Ansätze, die ausschließlich auf das zentrale Nervensystem abzielen, möglicherweise nicht die Probleme der peripheren Nerven. Guo wies außerdem auf die Möglichkeit eines früheren Eingreifens hin, falls sich Veränderungen der Bewegung erkennen lassen. Die Arbeit prüfte jedoch keinen Diagnosetest und zeigte nicht, dass ein bestimmtes Gangmerkmal eine Erkrankung vorhersagen kann.
Der Erhalt der Bewegungsfähigkeit kann nicht nur für die körperliche Verfassung von Bedeutung sein. In der Veröffentlichung wird darauf hingewiesen, dass regelmäßige körperliche Aktivität mit einem besseren kognitiven Wohlbefinden verbunden ist; daher kann die Unterstützung der Bewegungsfähigkeit auch für die Gesundheit des Gehirns wichtig sein. Dies ist ein möglicher zusätzlicher Grund, periphere Manifestationen der Krankheit zu untersuchen, aber kein Beleg dafür, dass ein Eingriff in die neuromuskuläre Verbindung den kognitiven Abbau verlangsamt oder verhindert.
Die Studie wurde von Professor James Hickman und Forschungsprofessorin Xufan „Nadine“ Guo gemeinsam mit Wissenschaftlern von Hesperos geleitet. Finanziert wurde die Arbeit vom National Institute on Aging der US-amerikanischen National Institutes of Health; die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift „Alzheimer’s & Dementia“ der Alzheimer’s Association veröffentlicht. Die nächste Frage ist, ob sich die im Zellmodell beobachtete Störung beim Menschen bestätigen lässt und ob sie ein ausreichend frühes und robustes Merkmal für die klinische Anwendung darstellt.
Quelle: ScienceDaily
