Die Idee, Medikamente möglichst nah am Ort der Erkrankung zu platzieren, ist medizinisch plausibel. Allerdings stellt das Gehirn eine besondere Herausforderung dar, da die Blut-Hirn-Schranke den Eintritt von Fremdstoffen und somit auch von Therapeutika stark einschränkt. Um diese Barriere zu überwinden, rückt die Möglichkeit der nasalen Verabreichung von Medikamenten in den Fokus, um das Gehirn auf direktem Wege zu erreichen.
Innovative Ansätze zur Medikamentenverabreichung ins Gehirn
Im Januar 2017 wurde das EU-geförderte Verbundprojekt »N2B-patch« ins Leben gerufen, um eine effizientere Therapie für Multiple Sklerose (MS) zu erforschen. Ein internationales Konsortium unter der Leitung des Fraunhofer IGB demonstrierte die Machbarkeit eines nasalen Verabreichungssystems für Biopharmazeutika über die Riechschleimhaut. Dieser innovative »Nose-to-Brain«-Ansatz ermöglicht es Wirkstoffen, die Blutbahn zu umgehen und direkt ins Gehirn zu gelangen. Die Nase ist nur durch das gelochte Siebbein und wenige Zellschichten vom Gehirn getrennt, was den Medikamenten das Durchdringen dieser Barriere erleichtert.
Erfolge und Herausforderungen des N2B-patch-Projekts
Nach 4,5 Jahren Laufzeit konnte das Projekt »N2B-patch« große Erfolge vermelden, stand aber auch vor Herausforderungen, insbesondere durch die Corona-Pandemie. Dr. Carmen Gruber-Traub, Projektleiterin am IGB, betonte das Engagement der Partner bei der Erreichung der Projektziele. Das neuartige Verabreichungssystem ist vielversprechend und soll zum Patent angemeldet werden. Die Formulierung ist stabil und bei Raumtemperatur lagerfähig. Das flexible System könnte zukünftig auch für andere ZNS-Erkrankungen wie Schlaganfälle, Alzheimer oder spezifische Krebserkrankungen eingesetzt werden.
Vorteile des neuen Systems
Das in Zusammenarbeit mit der Beiter GmbH & Co. KG entwickelte System beeinträchtigt das Riechen nicht und verhindert das Eindringen von Krankheitskeimen in die Nase. Präklinische und Mikrobiom-Studien bestätigten, dass es keine Auswirkungen auf das nasale Mikrobiom gibt. Das System ermöglicht eine kontinuierliche und zuverlässige Verabreichung des Wirkstoffs an das Gehirn über einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen, wobei eine erneute Anwendung erforderlich ist. Umfragen ergaben, dass dies von den Patienten als nicht belastend empfunden wird, was eine wiederholte Anwendung und somit eine Langzeitbehandlung ermöglicht. Die Anwendung des Systems erfolgt durch Ärzte oder geschultes Personal.
Einbeziehung von Patienten
Die Europäische Multiple Sklerose Plattform EMSP begleitete das Projekt eng und bezog Betroffene durch Veranstaltungen, Kampagnen und Interviews regelmäßig ein. Obwohl die Zulassung der neuen Plattformtechnologie noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird, sind die Vorbereitungen für Vermarktung, Produktion nach GMP-Richtlinien und Patentanmeldungen bereits im Gange.
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Magnetische Nanopartikel als Umweltfaktor im Gehirn
Britische Forscher haben in einer Studie in den Proceedings of the National Academy of Sciences (2015) magnetische Nanopartikel im Gehirn nachgewiesen, die vermutlich über die Nase dorthin gelangen. Diese entstehen bei Verbrennungsprozessen in Motoren und beim Bremsen.
Die Entdeckung magnetischer Ablagerungen im Gehirn
Barbara Maher von der Universität Lancaster untersuchte 93 Gehirne von Menschen, die hohen Schadstoffemissionen ausgesetzt waren. Sie fand magnetische Metallablagerungen, die Schadstoffen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe ähnelten. Diese Partikel haben eine Größe von 10 bis 150 Nanometern und könnten über die Lunge ins Blut oder über das Riechepithel der Nase direkt ins Gehirn gelangen.
Toxische Wirkung und mögliche Zusammenhänge mit neurodegenerativen Erkrankungen
Die Magnetite enthielten weitere Elemente wie Platin, Nickel und Kobalt, die toxisch sind und Sauerstoffradikale bilden können, die Hirnzellen schädigen. Der Weg über den Riechnerven könnte zu Orten wie dem Hippocampus führen, an dem degenerative Erkrankungen wie Alzheimer ihren Ursprung haben. Laborergebnisse und epidemiologische Studien deuten auf einen Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und der Häufigkeit von Alzheimer-Demenzen hin.
Die Bedeutung des Geruchssinns
Der Geruchssinn hat einen enormen Einfluss auf unsere Erinnerungen, Gefühle und unser Verhalten. Wie viele unterschiedliche Gerüche wir wahrnehmen können, ist unklar. Schätzungen zufolge kann das Gehör etwa 340.000 unterschiedliche Töne erkennen, Augen können 2,3 bis 7,5 Millionen Farben unterscheiden. Beim Geruchssinn gibt es kaum belastbare Zahlen.
Individuelle Unterschiede im Geruchssinn
Labortests zeigen, dass die Chemorezeptoren der Riechzellen genetisch bedingt höchst unterschiedlich ausgeprägt sind. Einige Probanden können einen Geruch gar nicht wahrnehmen, während er bei anderen Kopfschmerzen verursacht. Auch die Verarbeitung im olfaktorischen Kortex des Gehirns ist höchst individuell und hängt von persönlichen Erfahrungen ab.
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Der direkte Zugang zum Zentrum der Erinnerung und Emotionen
Der Geruchssinn ist der einzige Sinn, der einen direkten Zugang zum Zentrum der Erinnerung und der Emotionen im Gehirn hat, also zum Hippocampus und zum limbischen System. Er ist der älteste Sinn und wird bereits im Mutterleib geprägt. Embryos können im Mutterleib riechen und Düfte kennenlernen.
Die Funktionsweise des Geruchssinns
Nur eine feuchte Nasenschleimhaut kann die Geruchsmoleküle zu den Riechzellen transportieren. Diese sind mit rund 400 Geruchsrezeptoren besetzt, die spezialisiert sind. Können Duftmoleküle an den Rezeptor andocken, lösen sie eine elektrische Erregung aus. Die Riechzelle sendet diesen Reiz weiter zum Riechkolben im Gehirn, wo die erste Verarbeitung des Geruchs erfolgt. Die Ergebnisse werden an unser Großhirn weitergeleitet, wo wir den Geruch wahrnehmen. Geruchsrezeptoren gibt es auch außerhalb der Nase, zum Beispiel im Darm, im Herzen, in der Lunge, in den Hoden oder der Haut. Ihre Funktion an diesen Stellen wird noch erforscht.
Der Geruchssinn im sozialen Kontext
Der Geruchssinn bestimmt unser soziales Verhalten mit, oft unterbewusst. Der Körpergeruch ändert sich bei Krankheit oder Stimmungsänderungen. Wenn wir jemanden "nicht riechen können", gehen wir auf Abstand. Umgekehrt ziehen uns manche Menschen mit ihrem Körperduft an. Auch innerhalb der Familie spielt der Geruchssinn eine wichtige Rolle. Informationen über das Immunsystem lassen sich über den Geruch austauschen.
Genetische Grundlagen des Geruchssinns
Wie der Geruchssinn funktioniert, weiß man im Detail seit 1991. Die Neurophysiologin Linda B. Buck und der Mediziner Richard Axel entdeckten das erste Geruchsmolekül und identifizierten Geruchsrezeptor-Gene. Für ihre Entdeckung erhielten sie 2004 den Medizin-Nobelpreis. Wir nutzen nur rund 400 der Gene für Geruch, die wir besitzen. Trotzdem sind die Geruchsrezeptor-Gene noch die größte Genfamilie im Genom des Menschen.
Der Geruchssinn als offenes System
Dietmar Krautwurst, Geruchsforscher am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie, bezeichnet den Geruchssinn als "offenes System": Er kann sich verändern und weiterentwickeln. Evolutionär sei das für die Nahrungsfindung und -auswahl von Vorteil gewesen.
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Der Geruchssinn und die Aromen von Lebensmitteln
Professor Thomas Hofmann und sein Team von der Technischen Universität München haben das Geruchsstoffmuster von 227 Lebensmittelproben analysiert und festgestellt, dass der typische Geruch eines Lebensmittels nur von drei bis 40 Schlüsselaromen bestimmt wird. Insgesamt wurden 230 solcher Schlüsselaromastoffe bestimmt.
Riechstörungen und ihre Ursachen
Der Geruchssinn kann durch Mutationen eingeschränkt sein, aber auch durch Krankheiten, Medikamente, psychische Erkrankungen, Virusinfektionen, Feinstaub oder toxische Substanzen verloren gehen. Riechstörungen können ein Warnsignal für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Multiple Sklerose und Parkinson sein. Besonders auffällig ist das im Fall von Covid-19.
Therapiemöglichkeiten bei Riechstörungen
Riechforscherin Antje Hähner vom Universitätsklinikum Dresden empfiehlt das sogenannte Riechtraining, das durch monatelanges Üben die Neubildung von Riechzellen anregen kann. Darüber hinaus werden alternative Ansätze wie die Verwendung von Vitamin A und thrombozytenreichem Eigenblutplasma erforscht.
Neue Erkenntnisse über die Verbindung von Nase und Gehirn
Wissenschaftler der University of California San Francisco haben im März 2023 erstmals die Interaktion zwischen einem Geruchsmolekül und einem menschlichen Geruchsrezeptor als 3-D-Struktur abgebildet.
Die Rolle des Geruchssinns bei der Sättigung
Eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung hat bei Mäusen eine direkte Verbindung von der Nase zu bestimmten Nervenzellen im Gehirn entdeckt. Diese werden durch den Geruch von Nahrung aktiviert und lösen ein Sättigungsgefühl aus. Bei fettleibigen Mäusen war dies nicht der Fall. Dies könnte darauf hindeuten, dass bei der Behandlung von Übergewicht der Umgang mit Gerüchen vor dem Essen je nach Gewicht unterschiedlich gestaltet werden müsste.
Die Verarbeitung von Gerüchen in den Nasenlöchern
Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass das Gehirn erkennt, durch welches Nasenloch uns ein Geruch erreicht. Im menschlichen Gehirn werden Geruchsinformationen von beiden Seiten des piriformen Kortex verarbeitet.
Die Ausbreitung von Viren über die Riechnerven
Herpesviren und das Coronavirus können über die Riechnerven ins Gehirn gelangen. Forscher konnten das Coronavirus in den Riechsinneszellen nachweisen und auch in Hirnregionen, die mit den Riechnerven verknüpft sind. Dies bestätigt, dass das Virus die Nasenschleimhaut und die darin enthaltenen Sinneszellen und Nervenfortsätze nutzt, um sich über die Riechnervenbahnen ins Gehirn auszubreiten.
Der Transport von Neuropeptiden ins Gehirn
Jan Born und seine Kollegen von der Universität Lübeck haben festgestellt, dass bestimmte Makromoleküle, so genannte Neuropeptide, ins Hirn gelangen, wenn sie in Form von Nasenspray verabreicht werden.