Einführung
Die Versorgung des Gehirns mit Energie ist essenziell für seine Funktion. Glucose, ein einfacher Zucker, dient als Hauptenergieträger. Die Aufnahme von Glucose in Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der durch verschiedene Mechanismen und Zelltypen reguliert wird. Lange Zeit ging man davon aus, dass die Aufnahme von Zucker ins Gehirn ein passiver Vorgang ist. Neueste Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass es sich um einen aktiven Prozess handelt, der von Stützzellen, den Astrozyten, gesteuert wird. Zudem spielen Immunzellen des Gehirns, die Mikroglia, eine wichtige Rolle, insbesondere im Frühstadium neurodegenerativer Erkrankungen. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Mechanismen der Glucoseaufnahme in Nervenzellen, die Rolle von Astrozyten und Mikroglia sowie die Auswirkungen von Insulinresistenz und Ernährung auf diesen Prozess.
Aktiver Transport von Glucose ins Gehirn
Entgegen der bisherigen Annahme, dass die Zuckeraufnahme ins Gehirn ein passiver Vorgang ist, haben Diabetesforscher des Deutschen Zentrums für Diabetesforschung am Helmholtz Zentrum München herausgefunden, dass es sich um einen aktiven Prozess handelt. Dieser Prozess wird durch sogenannte Stützzellen, die Astrozyten, reguliert.
Die Rolle der Astrozyten
Astrozyten sind die häufigsten Zellen im Gehirn und bilden unter anderem die Blut-Hirn-Schranke. Sie umschließen die im Hirn verlaufenden Blutgefäße und lassen nur bestimmte Stoffe gezielt zu den Nervenzellen durch. Wissenschaftler um Professor Matthias Tschöp fanden heraus, dass Hormone wie Insulin und Leptin an Stützzellen wirken, um die Aufnahme von Zucker ins Gehirn zu regulieren. Ohne Insulinrezeptoren zeigten die Astrozyten vor allem im Bereich der Appetitzentralen im sogenannten Hypothalamus entsprechend schlechtere Transportraten von Glukose ins Gehirn.
Insulin und Leptin beeinflussen die Glucoseaufnahme
Die Wissenschaftler untersuchten die Aktivität von Insulinrezeptoren auf der Oberfläche der Astrozyten. Mäuse, denen dieser Rezeptor auf bestimmten Astrozyten fehlte, wiesen eine deutlich geringere Aktivität in Nervenzellen auf, die die Nahrungsaufnahme zügeln (die sogenannten Proopiomelanocortin Neuronen). Gleichzeitig hatten solche Mäuse Schwierigkeiten, ihren Stoffwechsel anzupassen, wenn sich die Zuckerzufuhr änderte. Dies deutet darauf hin, dass Insulin und Leptin eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Glucoseaufnahme in Nervenzellen spielen.
Die Rolle der Mikroglia bei Neurodegenerativen Erkrankungen
Zu Beginn einer neurodegenerativen Erkrankung nehmen die Immunzellen des Gehirns - die Mikroglia - den Zuckerstoff Glukose in weitaus größerem Umfang auf als bislang angenommen. Zu diesem Schluss kommen Untersuchungen des DZNE, der LMU München und des LMU Klinikum München. Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Interpretation von Hirnscans, die die Verteilung von Glukose im Gehirn darstellen.
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Erhöhte Glukoseaufnahme als Abwehrreaktion
Die Forscher folgern, dass die Mikroglia vor allem im Frühstadium der Erkrankung verstärkt Glukose aufnehmen, wenn die Nervenschäden noch nicht so weit fortgeschritten sind. Dies scheint notwendig zu sein, um ihnen eine akute, sehr energieaufwändige Abwehrreaktion zu ermöglichen. Diese kann zum Beispiel gegen krankheitsbedingte Proteinaggregate gerichtet sein.
Relevanz für die Interpretation von Hirnscans
Die Ergebnisse sind wichtig für die korrekte Interpretation von Hirnaufnahmen, die in der Demenzforschung und im Rahmen der klinischen Versorgung eingesetzt werden. Sie lassen zudem manche, bislang rätselhafte Beobachtungen in neuem Licht erscheinen.
Insulinresistenz im Gehirn und ihre Auswirkungen
Die Wirkung des Insulins im Gehirn ist verschiedener Menschen unterschiedlich stark ausgeprägt. Bei manchen sind die Nervenzellen sehr sensibel gegenüber dem Hormon, andere reagieren nur schwach darauf oder sind vollends resistent dagegen. Das hat weitreichende Folgen für die Gesundheit der Betroffenen.
Insulinresistenz beeinflusst den Erfolg von Lebensstiländerungen
Der Grad der Insulinresistenz im Kopf bestimmt, ob und wie stark übergewichtige Menschen von einer Änderung ihres Lebensstils profitieren. Personen, deren Gehirn empfindlich auf das Hormon reagiert, können durch Sport und gesunde Ernährung ihr Gewicht stärker reduzieren als Personen mit geringerer Insulinempfindlichkeit. Eine höhere Insulinsensitivität wirkt sich zudem langfristig günstiger auf das Gewicht und die Verteilung des Körperfetts aus.
Beeinflussung der Insulinresistenz durch Medikamente und Sport
Sowohl die Gabe von Empagliflozin als auch regelmäßiger Sport hatten einen messbaren Einfluss auf die Insulinresistenz im Gehirn. Das Trainingsprogramm hatte dazu geführt, dass das Hormon seinen Einfluss wieder ähnlich gut ausüben konnte wie bei normalgewichtigen Personen. Insulin wirkt sehr stark in dem Netzwerk in unserem Gehirn, das mit Belohnung arbeitet und bestimmt, wie wir Entscheidungen treffen. Und dieses Netzwerk reagiert auf Sport.
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Ernährung und Glucoseaufnahme im Gehirn
Fettreiche Ernährung führt akut zur Umprogrammierung des gesamten Stoffwechsels und zu einer Reduktion der neuronalen Glukoseaufnahme. Bereits nach kurzer Zeit kann eine fettreiche Ernährung zu einer nachhaltigen Beeinträchtigung des Energie- und Glukosegleichgewichts im Körper führen.
Auswirkungen von fettreicher Ernährung auf den Glukosetransport
In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass bereits eine kurzzeitige fettreiche Ernährung zu einer drastischen Verminderung des GLUT1-Glukosetransporters an der Blut-Hirn-Schranke führt. Bereits drei Tage nach Beginn einer fettreichen Diät war die Menge an GLUT1 um bis zu 50 Prozent reduziert. Die Messungen zeigten eine signifikante Reduktion der Glukoseaufnahme vor allem in Bereichen, welche für die Regulation der Energiehomöostase zuständig sind.
VEGF als Gegenregulation bei fettreicher Ernährung
Erhöhte Werte an gesättigten Fettsäuren, wie z. B. Palmitinsäure, beeinträchtigen akut den Glukosetransport der Gefäßzellen. Bei näherer Untersuchung der Regulationsmechanismen fanden die Wissenschaftler erhöhte VEGF-Konzentrationen im Blut. VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) ist ein wichtiges Signalmolekül für die Bildung und Aufrechterhaltung der Funktion von Gefäßzellen. Um der Rolle des Makrophagen-spezifischen VEGF nachzuspüren, benutzten die Wissenschaftler sog. Knockout-Mäuse, bei denen VEGF in Makrophagen genetisch inaktiviert wurde.
Neuronale Glukoseaufnahme und der Vagusnerv
Der Hauptvermittler zwischen Darm und Gehirn ist der Nervus vagus. Über sensorische Neurone werden mit der Nahrungsaufnahme einhergehende Signale an das Gehirn übermittelt, um Sättigungsgefühl und Blutglukosespiegel zu steuern. Über Feedback-Mechanismen wird so die Nahrungsaufnahme reguliert. Störungen in diesem Signalweg sind mit metabolischen Dysfunktionen assoziiert, die in Adipositas und Diabetes resultieren können.
Das Ganglion nodosum als Schaltzentrale des Vagusnervs
Forscher vom Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung in Köln haben sich die Schaltzentrale des Vagus-Nerven, das Ganglion nodosum, näher angeschaut. Die unterschiedlichen Nervenzellen im Ganglion nodosum übernehmen verschiedene Aufgaben. Manche Neurone reagieren auf mechanische Reize, die bei der Ausdehnung des Magens während der Nahrungsaufnahme entstehen, während andere Neurone chemische Signale aus der Nahrung verarbeiten.
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Steuerung von Sättigungsgefühl und Blutzuckerspiegel durch verschiedene Nervenzelltypen
Die Forscher identifizierten bei ihren Untersuchungen zwei Nervenzelltypen, die unterschiedliche Rezeptoren exprimieren. Vagale Afferenzen, die den GLP1-Rezeptor (Glucagon-like Peptide 1 Receptor) exprimieren, sind für das Sättigungsgefühl und damit die Beendigung der Nahrungsaufnahme verantwortlich. Weiterhin führt die Aktivierung der GLP1R-positiven Zellen zu einer verbesserten Glukose-Toleranz. Die Inhibition dieser Neurone führt zu einem Anstieg des Blutzuckerspiegels unabhängig von der Nahrungsaufnahme. Die andere Population von Nervenzellen, die GPR65 exprimiert, steigert bei Aktivierung die Glukoseproduktion durch die Leber und aktiviert Neurone im Nucleus parabrachialis im Hirnstamm, die für die Kontrolle des Blutzuckerspiegels verantwortlich sind.
Das Gehirn als zentrale Kontrollinstanz des Glukosestoffwechsels
Das Gehirn dient als übergeordnetes Organ, das den Soll-Zustand unseres Stoffwechsels durch Kontrolle der einzelnen Organfunktionen aufrechterhalten soll. Zur Beibehaltung dieses Gleichgewichts (Homöostase) benötigt unser Gehirn jedoch Signale zum Ist-Zustand jedes einzelnen Organs. Hormonelle Signalstoffe sowie Nahrungsmoleküle wie Glukose spielen in dieser Kommunikation von den Körperorganen an das Gehirn eine entscheidende Rolle. Die Steuerung dieser Organe durch das Gehirn kann ebenfalls über hormonelle Signalstoffe erfolgen, läuft jedoch meist über die Nervenbahnen unseres autonomen Nervensystems.
Glukosesensitive Nervenzellen im Hypothalamus
Es gibt im Hypothalamus spezialisierte Nervenzellen, die direkt auf Schwankungen im Glukosespiegel reagieren. Hierbei existieren 2 Arten von glukosesensitiven Nervenzellen, die durch ein zu viel an Glukose aktiviert (Ga) beziehungsweise gehemmt, also inhibiert (Gi), werden können und im Anschluss unterschiedliche Verhaltensprogramme und Stoffwechselprozesse in Gang setzen.
Insulin und Leptin aktivieren glukosesensitive Nervenzellen
Hormone, wie zum Beispiel Insulin, das von der Bauchspeicheldrüse ausgeschüttet wird, oder Leptin aus dem Fettgewebe, können die glukosesensitiven Nervenzellen im Gehirn auch direkt aktivieren.
Insulinunabhängige Mechanismen der Glukoseaufnahme
Leptin hat direkte Effekte auf den Glukosestoffwechsel. Das zeigen Versuche an Ratten und Mäusen mit Typ-1-Diabetes. Wird den Tieren Leptin in die Hypothalamusregion gespritzt, normalisieren sich - trotz des krankheitsbedingten Insulinmangels - ihre deutlich erhöhten Blutglukosespiegel. Gleiches gilt für die Glukosetoleranz, also die Fähigkeit, die Blutglukose zu verwerten. Nach dem neuen Modell aktiviert Leptin vielmehr das gehirnzentrierte System der Glukoseregulation, das daraufhin die Glukoseverwertung ankurbelt - auch über Mechanismen, die nicht von der Insulinwirkung an den Körperzellen abhängen.
Verbesserte Glukoseaufnahme in Gliazellen zur Bekämpfung von Alzheimer
Bei der Alzheimer-Krankheit und verwandten neurodegenerativen Erkrankungen führt eine übermäßige Aktivierung von Gliazellen zu einer Neuroinflammation und zur Schädigung von Nervenzellen. Eine erhöhte Glukoseaufnahme in den Gliazellen unterdrückt die Entzündungsreaktion und mildert den neuronalen Zelltod.
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