Acetylcholin: Der am besten untersuchte Neurotransmitter

Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist. Zu den bekanntesten Neurotransmittersystemen gehört das cholinerge System rund um den Transmitter Acetylcholin.

Neurotransmitter im Überblick

Neurotransmitter sind Botenstoffe, die an chemischen Synapsen Informationen übertragen, weitergeben, verstärken oder modulieren. Die Ausschüttung dieser Botenstoffe erfolgt mithilfe von einlaufenden elektrischen Impulsen in die Synapse, die auch als Aktionspotentiale bezeichnet werden. Diese Aktionspotentiale werden im Folgenden in chemische Informationen umgewandelt und gleichzeitig verstärkt. Für den reibungslosen Ablauf von Synthese, Freisetzung, Wirkung und Wiederaufnahme der jeweiligen Neurotransmitter werden speziell auf ihn abgestimmte Maschinerien benötigt.

Die heute bekannten Neurotransmitter lassen sich großteils in drei Substanzklassen einordnen:

• Aminosäuren: Die drei häufigsten Transmitter Glutamat, GABA und Glycin sind Aminosäuren - kleine Bausteine von Eiweißmolekülen, wie sie im Körper überall vorhanden sind.
• Amine: Serotonin, Dopamin und weitere Transmitter gehören zu den Aminen, die durch enzymatische Reaktionen aus Aminosäuren gebildet werden.
• Neuropeptide: Die dritte Gruppe bilden die Neuropeptide, von denen bis heute mehr als 50 entdeckt wurden. Peptide sind kurze Kettenmoleküle aus Aminosäuren und können von der Zelle genau wie Proteine (lange Aminosäureketten) entsprechend genetisch codierter Baupläne synthetisiert werden.

Jeder Neurotransmitter hat seine eigenen, spezifischen Rezeptoren - und in der Regel viele verschiedene davon, die sogenannten Subtypen. Unterscheiden lassen sie sich in Laboruntersuchungen beispielsweise dadurch, wie sie auf andere chemische Verbindungen reagieren. So gibt es bei den Glutamatrezeptoren drei Subtypen. Einer davon lässt sich außer durch Glutamat auch durch eine als „AMPA“ bezeichnete Substanz aktivieren, ein anderer durch die Aminosäure NMDA und der dritte durch die so genannte Kainsäure. Solche Verbindungen, auf welche die Rezeptorsubtypen ansprechen, heißen auch Agonisten. Im Gegensatz dazu stehen die Antagonisten, die einen Rezeptor blockieren statt aktivieren. Unterscheiden lassen sich Rezeptoren auch noch durch ihren Wirkmechanismus. Alle Glutamatrezeptoren etwa, ob nun AMPA-, NMDA- und Kainat-Rezeptor, öffnen bei Aktivierung direkt einen Ionenkanal in der postsynaptischen Membran (ionotrope Rezeptoren).

Die Entdeckung der chemischen Signalübertragung

Im 19. Jahrhundert lieferte die Entdeckung des synaptischen Spalts ein Indiz dafür, dass die Signalübertragung zwischen Nervenzellen chemisch erfolgen könnte. Die hohe Geschwindigkeit der Übertragung ließ viele Forscher dennoch an einen elektrischen Mechanismus glauben. Nicht so Otto Loewi. Der in Frankfurt geborene, später in die USA emigrierte Pharmakologe träumte nach eigener Aussage eines Nachts vom entscheidenden Experiment, wachte davon auf und setzte es sofort erfolgreich um. Dazu legte Loewi ein noch schlagendes Froschherz in eine Salzlösung und stimulierte elektrisch den Vagusnerv, was erwartungsgemäß den Herzschlag verlangsamte. Als Loewi dann ein zweites Froschherz in die gleiche Lösung legte, schlug auch dieses langsamer. Es musste also einen „Vagusstoff“ geben, der die neuronale Kommunikation vermittelt. Loewi erhielt 1936 zusammen mit H. H. Dale den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Erforschung der chemischen Nervenimpulse durch Acetylcholin.

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Viele seiner Nachfolger beschäftigten sich seither mit der chemischen Übertragung von elektrischer Erregung an Synapsen und entdeckten, dass diese weit vielfältigere Möglichkeiten bieten als eine einfache elektrische Kontaktstelle.

Die Rolle von Acetylcholin

Acetylcholin wurde wohl deshalb als erster Neurotransmitter entdeckt, weil er für das vegetative Nervensystem sowie an der Schnittstelle zwischen motorischen Nerven und Skelettmuskulatur eine entscheidende Rolle spielt. Aber auch im Gehirn finden sich cholinerge Neuronen. Die wichtigsten davon lassen sich zu zwei diffusen Modulationssystemen zusammenfassen. Das eine System innerviert von der Basis des Großhirns aus (zwischen und unter den Basalganglien) Hippocampus, Neocortex und Riechkolben. Diese Zellen gehören zu den ersten, die bei der Alzheimer-​Krankheit absterben. Inwieweit es darüber hinaus eine Verbindung zu der Krankheit gibt, ist unklar. Unter den zugelassenen Alzheimer-​Medikamenten, die den Verlust geistiger Fähigkeiten zumindest verzögern sollen, befinden sich aber Wirkstoffe, die den Acetylcholin-​Abbau im Gehirn verlangsamen. Das zweite System besteht aus Zellen im Pons und im Tegmentum des Mittelhirns. Es wirkt vor allem in den Thalamus hinein, darüber aber auch stark ins Großhirn. Beteiligt sind die cholinergen Neuronen etwa an der Steuerung von Aufmerksamkeit und der Erregbarkeit des Gehirns während Schlaf- und Wachrhythmus. In Tierversuchen wurde deutlich, dass Acetylcholin die Weiterleitung sensorischer Reize vom Thalamus in die zuständigen Cortex-​Regionen fördert.

Im Gehirn des Menschen sind ca. 5-10 % aller Synapsen mit Acetylcholin ausgestattet.

Neurotransmittersysteme und ihre Bedeutung

Informationsverarbeitung im Gehirn hängt davon ab, dass Netzwerke von Nervenzellen über Synapsen miteinander im Austausch stehen. Die Botenstoffe, die an chemischen Synapsen Information übertragen, nennt man Neurotransmitter. In mühsamer Puzzlearbeit konnten Wissenschaftler bis heute Dutzende dieser Substanzen aufspüren. Sie lassen sich in unterschiedliche Klassen einteilen. Die bekanntesten sind wohl Serotonin und Dopamin, die beide auch als „Glückshormone“ gelten.

Neurotransmitter wandern in der Regel von der Synapse des sendenden Neurons über einen synaptischen Spalt zu einer postsynaptischen Membran, die auf Axon, Dendriten oder Zellkörper einer weiteren empfangenden Nervenzelle sitzen kann. Sie werden auf der Ausgangsseite, also in der Synapse, auf Vorrat gebildet und in kleinen Bläschen, den Vesikeln, gespeichert. Läuft ein Aktionspotenzial ein, entleeren sich die Vesikel in den synaptischen Spalt. An der postsynaptischen Membran passen die Transmittermoleküle zu bestimmten Rezeptor-​Proteinen wie der Schlüssel ins Schloss. Dort können sie erregend oder hemmend wirken - das hängt jeweils vom Transmitter selbst und in vielen Fällen auch vom speziellen Rezeptortyp ab. Auf jeden Fall entsteht ein Input, den das postsynaptische Neuron zusammen mit den von anderswo einlaufenden Signalen weiterverarbeiten kann.

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Nach der Signalübertragung heißt es aufräumen: Damit die Synapse wieder neu funktionsfähig wird, müssen die Transmittermoleküle aus dem Spalt verschwinden. Zumindest bei denjenigen Substanzen, die für schnelle Kommunikation zuständig sind, hilft die präsynaptische Membran mit: Transportproteine sorgen für die Wiederaufnahme des Transmitters im Neuron. Dort wird er entweder wiederverwertet oder abgebaut. Jeder Transmitter braucht also eine speziell auf ihn abgestimmte Maschinerie, damit Synthese, Freisetzung, Wirkung und Wiederaufnahme reibungslos funktionieren. Da Nervenzellen jeweils auf einen oder wenige Transmitter spezialisiert sind, lassen sich jedem Botenstoff konkrete Neuronennetzwerke zuordnen. Besonders bekannte und bedeutsame Beispiele solcher Neurotransmittersysteme sind das cholinerge System rund um den Transmitter Acetylcholin, das serotonerge System mit dem Botenstoff Serotonin und analog das dopaminerge System mit den Neurotransmitter Dopamin.

Eine besondere Eigenschaft dieser drei Netzwerke ist, dass sie relativ kleine Ursprungsgebiete haben, sie also nur von bestimmten, eng gefassten Neuronengruppen produziert werden. Ihr Einfluss aber reicht über 100.000 Synapsen und mehr pro beteiligtem Neuron in sehr viele verschiedene Stellen im Gehirn hinein. Hinzu kommt, dass Acetylcholin, Serotonin und Dopamin im Vergleich etwa zu Glutamat langsamer, länger anhaltend wirken, weil sie nicht nur in jeweils einer einzelnen Synapse ausgeschüttet werden, sondern diffus in einem größeren Gebiet. Sie spielen deshalb eine besondere Rolle bei der Regulierung umfassender Zustände wie Schlaf oder Gemütsverfassung.

Elektrochemische Detektion von Neurotransmittern

Zur Aufklärung von zahlreichen Krankheiten ist die Bestimmung der Neurotransmitterkonzentration mit Orts- und Zeitauflösung hilfreich. Dazu eignen sich Verfahren der Elektrochemie, da die entsprechenden zu analysierenden Stoffe in ionischer Form vorliegen. Bei diesen elektrochemischen Analysen spielt die Art der verwendeten Elektroden eine entscheidende Rolle. Diese muss garantieren, im Verlauf der Untersuchung keine schädigenden Stoffe abzugeben. Darüber hinaus muss die Oberfläche eine hohe Sensivität für die jeweilige Redoxreaktion aufweisen. Dies kann durch die Beschichtung der Elektroden realisiert werden, wobei unterschiedliche Beschichtungen bei gleichem Elektrodengrundmaterial die Möglichkeit bieten, die Art der detektierten Moleküle und die Empfindlichkeit der Detektion zu modifizieren.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Techniken genauer betrachtet, mit denen Neurotransmitter im Gehirn erfasst werden können. Die Informationen zu dieser Recherche stammen aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen der letzten dreißig Jahre. Die behandelten Techniken sollen dazu beitragen, die Vorgänge im Gehirn genauer zu untersuchen, die im Zusammenhang mit verschiedenen Neurotransmittern stehen. Weiterhin ist ein Ziel, die Neurotransmitterfreisetzung nicht nur zu verstehen, sondern durch gezielte Stimulation zu überwachen und damit Krankheiten, die durch bestimmte Neurotransmitter beeinflusst werden, zu behandeln. Dabei ist entscheidend, wie und wo die Neurotransmitter freigesetzt werden und welche Aufgabe sie im Lebewesen haben. Durch das Erforschen dieses Themas soll es möglich sein, Krankheiten, die durch einen Mangel oder Überschuss an Neurotransmittern entstehen, zu behandeln. Dies geschieht durch das Treffen der optimalen Therapieeinstellungen und die Hilfe­stellung bei neurochirurgischen Eingriffen. Entscheidend ist dabei die Platzierung von Elektroden, Ort und Art zur Stimulierung bestimmter Neuronengruppen sowie die beste Technik, um minimale und zeitlich sehr schnell ablaufende Prozesse zu erfassen.

Um die Bedeutung der Detektionsmethoden zu veranschaulichen, werden zunächst einige wichtige Neurotransmitter vorgestellt, sowie die Krankheiten, die mit ihnen in Verbindung stehen. Der Begriff Neurotransmitter leitet sich vom altgriechischen νεῦρον/neuron - Nerv und vom lateinischen transmittere - hinüberschicken beziehungsweise übertragen ab. Neurotransmitter sind Botenstoffe, die an chemische Synapsen Informationen übertragen, weitergeben, verstärken oder modulieren.

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Wichtige Neurotransmitter und ihre Funktionen

Einige wichtige Neurotransmitter sind:

• Dopamin: Der für das zentrale Nervensystem wichtige Botenstoff Dopamin ist elektrochemisch aktiv und spielt eine besondere Rolle bei der Motorik, Motivation, Aufmerksamkeit, Emotion und bei kognitiven Prozessen sowie bei der Beeinflussung des Kardiovaskulären und Renalen Systems. Die mit diesem Transmitter in Zusammenhang gebrachten Krankheiten sind Schizophrenie, Depressionen, ADHS und Parkinson.
• Noradrenalin: Der Neurotransmitter ist elektrochemisch aktiv und wird oft mit Stress sowie Aufmerksamkeit und Wachheit in Verbindung gebracht.
• Adrenalin: Im Gehirn wirkt Adrenalin auch als Neurotransmitter (Botenstoff).
• Glutamat: Glutamat ist der wichtigste exzitatorisch, auch als erregend bezeichneter, Neurotransmitter, der zur Informationsübertragung zwischen Neuronen an deren Synapsen dient. Dieser Transmitter ist für die Bewegungssteuerung, Sinneswahrnehmung und das Gedächtnis verantwortlich.
• GABA: GABA ist der wichtigste inhibitorische, auch als hemmend bezeichneter, Neurotransmitter. Er dient zur Informationsübertragung zwischen Neuronen an deren Synapsen und setzt somit die Erregbarkeit der Nervenzelle herab. GABA ist der Gegenspieler von Glutamat.
• Acetylcholin: Das ebenfalls elektrochemisch aktive Acetylcholin ist der wichtigste Neurotransmitter im Gehirn.
• Adenosin: Die körpereigene Substanz des Energiestoffwechsels Adenosin ist nicht elektrochemisch aktiv und blockiert die Ausschüttung der Neurotransmitter Noradrenalin, Dopamin und Acetylcholin. Damit führt Adenosin zur Blutgefäßerweiterung und zu einer Verlangsamung der Herzfrequenz.
• Serotonin: Serotonin (ST) oder auch 5-Hydroxytryptamine (5-HT) gilt auch als zentraler Stimmungsmacher und beeinflusst den Appetit, den Sexualtrieb, das psychische Wohlbefinden, das emotionale Befinden und es spielt eine maßgebende Rolle beim Schlaf- und Wachrhythmus. Das elektrochemisch aktive Serotonin wird primär in den Raphé-Kernen des Mescencephalons im Hirnstamm produziert und ist dort nur in den Neuronen nachweisbar. Krankheiten, die mit diesem Neurotransmitter assoziiert werden, sind Halluzinationen durch einen überhöhten Serotoninspiegel und Depressionen, Migräne, Angst und Aggressionen bei einem Serotoninmangel.

Bei allen oben genannten Neurotransmittern sollte das zeitliche Verhalten und ihre Wirkungsweise beachtet werden.

Elektrochemische Detektionstechniken

Im Rahmen der Arbeit werden zwei wichtige Bereiche der Neurotransmitterdetek­tion näher betrachtet. Zum einen die elektrochemische Detektion, die mithilfe von Elektroden Neurotransmitterkonzentratio­nen direkt im Gehirn misst. Im Folgenden wird genauer auf verschiedene Arten von Voltammetrie, Amperometrie und Redox-Cycling eingegangen. Schon in den frühen 1970er Jahren wurden die elektrochemischen Techniken entwickelt und in vielen verschiedenen Messungen von Neurotransmittern, wie zum Beispiel Dopamin oder Noradrenalin, sowie deren Stoffwechselprodukten verwendet. Auch Messungen im Gehirn lebender Tiere wurden bereits durchgeführt. Grundlage der elektrochemischen Techniken ist, dass elektrochemisch aktive Moleküle bei einem bestimmten Potential an der Spitze einer Elektrode oxidiert, beziehungsweise reduziert werden können. Dadurch entstehen Ströme, welche direkt proportional zur Konzentration des Stoffes sind. Es werden also relative Veränderungen der Neurotransmitterkonzentration erfasst. Elektrochemische Messungen sind sensitiv, relativ unkompliziert und haben eine hohe zeitliche Auflösung. Allerdings ist die räumliche Auflösung gering, da die Elektroden Neurotransmitter nur in ihrem direkten Umfeld detektieren. Andererseits kann diese räumliche Eingrenzung genutzt werden, um die lokale Neurotransmitterausschüttung direkt an der Freisetzungsstelle zu ermitteln. Dabei ist des Weiteren zu berücksichtigen, dass aufgrund der Distanz zwischen Elektrode und Freisetzungsstelle­ hoch reaktive oder unstabile Stoffe auf dem Weg zur Elektrode bereits mit anderen Molekülen reagieren und somit für die Messung verloren gehen können. Dazu kommt, dass die Elektrode die Membranlipide und -proteine verletzen kann; vor allem bei hohen Oxidationspotentialen.

Jeder Neurotransmitter besitzt einen bestimmten Spannungsbereich, in welchem er nachgewiesen werden kann. Dieser Bereich wird der Detektionsmethode entsprechend eingestellt. Alle auftretenden Ströme werden aufgezeichnet. Dazu gehören sowohl die durch Oxidation und Reduktion entstehenden Faradischen, als auch die kapazitiven Ströme, welche Nebenwirkungen der Spannungsveränderung sind. Diese störenden kapazitiven Ströme können durch eine präzise Background-Subtraktion eliminiert werden.

Voltammetrie

Voltammetrische Techniken analysieren Proben an der Oberfläche der implantierten Elektrode. Vor allem die Diffusionseigen­schaften der extrazellulären Flüssigkeit und die Reaktionszeit der Elektrode sind verantwortlich dafür, welche Moleküle detektiert werden. Viele Neurotransmitter, darunter Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin, Serotonin und Histamin, oxidieren leicht und können daher in voltammetrischen Experimenten nachgewiesen werden. Je nachdem welcher Neurotransmitter erfasst werden soll, werden verschiedene Elektroden verwendet. Es finden unterschiedliche Reaktionen an der Elektrodenoberfläche statt, je nachdem welche Elektroden verwendet werden und wie sie beschichtet sind.

Die Voltammetrie liefert dynamische Informationen über die Bewegungsabläufe von Neurotransmittern in ganz bestimmten Bereichen des Gehirns. Die Informationen werden nur aus dem direkten Umfeld der Elektrode gesammelt. Der große Vorteil der Voltammetrie ist die Vielfältigkeit der gebotenen Informationen. Sie verdeutlicht den Zusammenhang von der Elektrolyserate an der Elektrodenoberfläche und der Transportrate der reagierenden Moleküle, die an die Oberfläche diffundieren. Die zeitlichen Veränderungen der Spannung geben hierbei genauere Informationen über die verschiedenen Charaktere der Proben, zum Beispiel molekulare Reaktionen und Diffusionseigenschaften. Dadurch entstehen für jede Elektrode, für jede Beschichtungsart der Elektrode und für jeden Neurotransmitter spezielle, einzigartige Voltammogramme. Mithilfe dieser Voltammogramme können verschiedene Substanzen identifiziert werden.

Jedoch gibt es bei der Bestimmung dieser Stoffe in manchen Fällen Schwierigkeiten bei der quantitativen und qualitativen Beurteilung der Ergebnisse. Zum Beispiel existiert die anionische Form der Ascorbinsäure in vivo in hohen Konzentrationen. Diese Ascorbinsäure besitzt ein Oxidationspotential, das nahe dem des Dopamins und dem des Serotonins bei unveränderten Karbonelektroden liegt, wodurch die Bestimmung der freigesetzten Dopaminmenge erschwert wird. Ein weiteres Problem ergibt sich beim Vergleich der Konzentrationen. So existiert die Ascorbinsäure in vivo mit einer Konzentration, die zirka 100- bis 1000-mal höher ist, als die der Neurotransmitter. Jedoch gibt es Aspekte, die bei der Neurotransmitterbestimmung ausgenutzt werden können.

Bei den voltammetrischen Techniken werden oft Karbon-Nano-Tubes oder Glas-Karbon (Glas-Kohlenstoff) als Elektrodenmaterial eingesetzt. Dabei wird Ionic Liquid als Bindemittel für die Karbon-Nano-Tube-Elektroden verwendet. Sie zeichnen sich durch spezifische Eigenschaften wie eine hohe Ionenleitfähig­keit und eine heterozyklische kationische Struktur aus. Weiterhin werden sie bei verschiedensten Spannungswerten verwendet. Ein zusätzlicher Aspekt ist, dass sie sich aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften und ihrer Zusammensetzung als äußerst hilfreich für Elektronenaustauschreaktionen eignen. Sie besitzen zudem ein vorteilhaftes chemisches und physikalisches Verhalten und im Falle von Karbon-Nano-Tubes auch katalytische Eigenschaften. Hierbei dienen die Nanopartikel als elektronische, optische und magnetische Bestandteile des Grundmaterials mit elektrokatalytischen und biokompatiblen Fähigkeiten. Zusätzlich haben sie im Vergleich zu ihrem Volumen kleine Dimensionen und sehr große Oberflächen. Die traditionellen Elektrodenoberflächen wie Gold, Kohlenstoff und Graphit wurden schon mit Substanzen wie Nickel, Nickel­oxid (NiO), Nickelhydroxid (Ni(OH)2) und ­Nanoteilchen modifiziert.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um auch Enzyme in die Matrix der Elektrode zu integrieren. So zum Beispiel die Adsorption auf unlösliche Materialien, das Einklemmen in Poly­mergele, das Einbauen in Membranen, sowie die Vernetzung mit bi- oder mehrfunktionalen Teilnehmern und die Vernetzung mit unlöslichen Aggregatsträgern. ­Diese Einbindungen der Enzyme erweisen sich als vorteilhaft zur Stabilisierung von Makromolekülen. Weiterhin können die Kosten für die Analyse durch die Enzym­integration stark redu…

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