Ursachen für das Absterben von Gehirnzellen: Ein umfassender Überblick

Das Absterben von Gehirnzellen, auch Neurodegeneration genannt, ist ein komplexer Prozess, der viele verschiedene Ursachen haben kann. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Ursachen dieses Phänomens und geht dabei von den Grundlagen bis hin zu spezifischen Erkrankungen und Forschungsansätzen.

Neurodegenerative Erkrankungen und Proteinaggregate

Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, Huntington und ALS (Amyotrophe Lateralsklerose) spielen Proteinaggregate eine entscheidende Rolle. In den Hirnzellen von Patienten mit diesen Erkrankungen können Mediziner und Forscher unter dem Mikroskop Proteinverklumpungen sehen, die auch Aggregate genannt werden. Wissenschaftler vermuten seit vielen Jahren, dass diese Aggregate massiv zum Tod der Nervenzellen und zu den Krankheiten beitragen.

Der Ort der Aggregate beeinflusst das Überleben der Zelle

Forschungen des Max-Planck-Instituts für Biochemie in Martinsried haben gezeigt, dass der Ort der Proteinaggregate innerhalb der Zelle ihr Überleben stark beeinflusst. Während Aggregate im Zellkern die Zellfunktion kaum beeinträchtigen, stören die Verklumpungen im Zellplasma wichtige Transportwege zwischen Zellplasma und Zellkern.

Wie Proteinaggregate Zellen schädigen

Um dies herauszufinden, haben die Forscher, zusammen mit den Forschungsgruppen von Konstanze Winklhofer und Jörg Tatzelt an der Ruhr-Universität Bochum, ein künstlich hergestelltes Protein und das für die Huntington Krankheit verantwortliche Protein Huntingtin in Zellkulturen getestet. Beide Proteine lagern sich von allein zu großen Proteinklumpen zusammen. Proteinverklumpungen im Zellplasma verhinderten den Transport von RNA und richtig gefalteten Proteinen zwischen Zellkern und Zellplasma. Weil die Aggregate klebrige Eigenschaften haben, werden aus der Zelle lebensnotwendige Proteine weggefangen. „Wir haben in den Aggregaten im Zellplasma wichtige Bestandteile der zellulären Transportmaschinerie gefunden. Das hat zu Folge, dass die Bestandteile für einen funktionierenden Kerntransport dann fehlen, ungefähr so, als wenn Teile einer Maschine fehlen. Dann kann diese auch nicht im Ganzen funktionieren. Vermutlich ist das die Ursache für den geschädigten Transportweg“, erklärt Andreas Wörner, Erstautor der Studie. Wenn die Bauanleitung der Proteine, die RNA, aus dem Zellkern nicht in das Zellplasma gelangen kann, können dort auch keine Proteine mehr hergestellt werden und die Zelle geht zugrunde. Warum die Aggregate, die sich direkt im Zellkern befinden die Nervenzellen weniger schädigen kann nur vermutet werden.

Proteinfaltung und Qualitätskontrolle

Proteine bestehen aus langen Aminosäureketten und funktionieren in Zellen wie kleine Maschinen. Um ihre Arbeit aufnehmen zu können, müssen die Proteine eine vorgegebene dreidimensionale Struktur annehmen. In gesunden Zellen gibt es eine Vielzahl von Faltungshelfern und eine umfangreiche Qualitätskontrolle. Falsch gefaltete Proteine werden entweder repariert oder schnell abgebaut. Bei neurodegenerativen Krankheiten scheinen solche Proteinaggregate für das Absterben von Nervenzellen mit verantwortlich zu sein. Wie diese Verklumpungen die Zellen schädigen ist bis heute nicht geklärt.

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Vaskuläre Demenz

Vaskuläre Demenz ist mit etwa 15 Prozent aller Demenzerkrankungen die zweithäufigste Form nach Alzheimer-Demenz. Schätzungsweise 0,3 Prozent der Bevölkerung ist an vaskulärer Demenz erkrankt. Sie entsteht aufgrund von Durchblutungsstörungen im Gehirn. Ursachen hierfür können Ablagerungen in Blutgefäßen, Blutgerinnsel oder Hirnblutungen auch in kleinerem Umfang sein. Diese können dazu führen, dass Bereiche des Gehirns mit zu wenig Sauerstoff versorgt werden. Hierdurch können Hirnzellen in unterschiedlichen Bereichen des Gehirns geschädigt werden oder absterben. Das Risiko für eine vaskuläre Demenz kann steigen, wenn das Herz-Kreislaufsystem beeinträchtigt ist.

Symptome und Diagnose

Bei vaskulärer Demenz können zu Beginn vor allem Probleme mit Aufmerksamkeit, verlangsamtem Denken sowie Persönlichkeitsveränderungen auftreten. Dazu können Gangstörungen oder Kontrollverluste der Blase sowie Probleme mit der Sprache kommen. Auch Gedächtnisstörungen können auftreten, stehen aber zu Beginn nicht immer im Vordergrund. Um festzustellen, ob überhaupt eine Demenz vorliegt, werden zunächst die Symptome und deren Verlauf erfasst. Dies gibt möglicherweise schon Hinweise, ob es sich um eine vaskuläre Demenz handelt. Um diese festzustellen werden zunächst das Herz-Kreislauf-System sowie neurologische Funktionen, zum Beispiel der Gleichgewichtssinn, untersucht. Blutuntersuchungen können Hinweise auf Risikofaktoren für Durchblutungsstörungen geben. Durchblutungsstörungen im Gehirn können mit Medikamenten behandelt werden, ebenso einige Risikofaktoren, wie zum Beispiel Bluthochdruck.

Weitere Ursachen und Erkrankungen

Neben den bereits genannten Ursachen gibt es eine Vielzahl weiterer Faktoren und Erkrankungen, die zum Absterben von Gehirnzellen führen können:

• Alterungsprozesse: Im Alter gehen oft Nervenzellen und Zellfunktionen verloren. Der Anteil älterer Menschen an der Bevölkerung nimmt in Deutschland stetig zu. Weil sie eng mit den Alterungsprozessen verbunden sind, gelten neurodegenerative Erkrankungen daher als wichtige medizinische Herausforderung der kommenden Jahrzehnte.
• Genetische Faktoren: Bei bestimmten Formen der Parkinson-Erkrankung oder der Creutzfeldt-Jacob-Erkrankung beispielsweise kommt es als Folge einer genetischen Besonderheit zu einer Zusammenlagerung von Eiweißstoffen in den Nervenzellen des Gehirns. Diese Aggregate beinträchtigen die Funktion der Zellen und führen schließlich zu ihrem Tod. Bei Menschen mit Huntington-Erkrankung tritt eine ganz bestimmte genetische Sequenz im Erbgut sehr viel häufiger auf als bei gesunden Menschen.
• Immunologische Faktoren: Neuere wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass auch unser Immunsystem Auswirkungen auf die Entstehung und den Verlauf neurodegenerativer Erkrankungen haben kann. Immunzellen, die den Körper eigentlich schützen sollen, könnten im Gehirn Schäden anrichten und so beispielsweise die Alzheimer-Krankheit antreiben.
• Spezifische Bereiche und Zelltypen: Charakteristisch für neurodegenerative Erkrankungen ist, dass meist nicht das ganze Gehirn betroffen ist, sondern unterschiedliche, oft sehr genau umschriebene Bereiche beziehungsweise Zelltypen. Bei der Parkinson-Erkrankung beispielsweise sind ausschließlich Nervenzellen betroffen, die den Botenstoff Dopamin produzieren. Dopamin wird für die Bewegungssteuerung benötigt. Die entsprechenden Nervenzellen haben eine koordinierende Funktion. Folglich wirken Parkinson-Patientinnen und -Patienten in ihren Bewegungsabläufen steif und verlangsamt, oder sie zeigen sehr charakteristische Bewegungsmuster, etwa Muskelzittern (Tremor). Auch die Huntington-Erkrankung betrifft Nervenzellen, die an der Steuerung von Bewegungsabläufen beteiligt sind. In diesem Fall produzieren die absterbenden Nervenzellen den Botenstoff Glutamat. Die betroffenen Menschen zeigen ausladende Bewegungen, die wie ein Tanz wirken können. Bei der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) wiederum gehen selektiv sogenannte Motoneurone zugrunde. Das sind Nervenzellen, die das Gehirn mit der Muskulatur verbinden. Wenn Motoneurone sterben, dann kann das Gehirn die Muskeln nicht mehr „ansteuern“.
• Hirntod: Ist der Hirntod eingetreten, sind die Rezeptoren im Gehirn funktionslos. Eine Wahrnehmung, wie zum Beispiel eine Schmerzwahrnehmung, ist nicht mehr möglich. Einige Reflexe, sogenannte Rückenmarksreflexe, gehen von den Nerven im Rückenmark aus. Ist der Hirntod eingetreten und wird die künstliche Beatmung fortgesetzt, können spinale Reflexe beispielsweise Spontanbewegungen auslösen oder zum Anstieg des Blutdrucks führen.
• Periphere Immunabwehr: Wissenschaftler aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum zeigten an mit einer Parkinson-Krankheit simulierenden Substanz behandelten Tieren erstmals, dass Zellen der peripheren Immunabwehr aus dem Blut ins Gehirn einwandern und dort maßgeblich zum Nervensterben beitragen.
• Hypoxischer Hirnschaden: Der hypoxische Hirnschaden (hypoxisch-ischämische Enzephalopathie, auch HIE) beim Erwachsenen ist eine Hirnschädigung aufgrund eines schweren Sauerstoffmangels im Gehirn (Hypoxie). Häufig tritt er nach einem Kreislaufstillstand mit erfolgreichen Wiederbelebungsmaßnahmen (Reanimation) auf. In der Folge kommt es zu individuell unterschiedlich stark ausgeprägten neurologischen Störungen bis hin zu Komazuständen oder einem Wachkoma. Die Nervenzellen des Gehirns, vor allem die für höhere Funktionen des Bewusstseins wie Wahrnehmung, Gedächtnis und Koordination zuständigen und besonders empfindlichen Zellen an der Oberfläche des Großhirns, sterben aufgrund des Sauerstoffmangels innerhalb weniger Minuten ab. Da sich diese Nervenzellen nicht wieder nachbilden, wird das Gehirn irreparabel geschädigt und es entsteht ein hypoxischer Hirnschaden. Das Ausmaß des hypoxischen Hirnschadens hängt unter anderem davon ab, wie lange die Sauerstoffversorgung des Gehirns unterbrochen war.
• Alzheimer-Krankheit: Bei der Alzheimer-Krankheit sterben nach und nach Nervenzellen im Gehirn ab, was zu einem fortschreitenden Verlust der geistigen (kognitiven) Fähigkeiten führt. Gedächtnisprobleme und Orientierungsschwierigkeiten sind nur zwei der Symptome, die den Alltag der erkrankten Menschen zunehmend erschweren. Im Gehirn von Menschen mit Alzheimer sammelt sich übermäßig viel Amyloid-beta zwischen den Gehirnzellen an und bildet kleinere, giftige Klumpen (Oligomere) und riesige Zusammenlagerungen (Plaques). Im Inneren der Gehirnzellen sorgt das Tau-Protein für die Stabilität und Nährstoffversorgung. Bei der Alzheimer-Krankheit ist das Tau-Protein chemisch so verändert, dass es seiner Funktion nicht mehr nachkommen kann.
• Schädigungen des Sehnervs: Da der Sehnerv zum zentralen Nervensystem gehört, ist eine Regeneration der Nervenfasern im Sehnerv nicht möglich. Zahlreiche Erkrankungen können eine Schädigung des Sehnervs zur Folge haben, z.B. der Grüne Star (Glaukom), die diabetische Retinopathie, Sehnerventzündungen, Tumore am Sehnerv, Unfälle oder ein Gefäßverschluss. Ist der Sehnerv durch eine Erkrankung im gesamten Querschnitt geschädigt, kommt es zu einer vollständigen Erblindung des betroffenen Auges. Besonders häufig ist der Grüne Star Ursache einer Sehnervstörung, sowie die durch Diabetes bedingte diabetische Retinopathie. Das Glaukom umfasst eine Reihe von Augenerkrankungen, die zum Verlust von Nervenfasern führen. Es kommt bei betroffenen Patienten zu Gesichtsfeldausfällen, bis hin zu Erblindung.
• Traumatische Verletzungen: Eine Verletzung des Gehirns durch traumatische Krafteinwirkung wird Schädel-Hirn Trauma (SHT) genannt. Bei der leichtesten Form des SHT spricht man von einer Gehirnerschütterung, die meist harmlos verläuft. Hirnblutungen und andere Komplikationen können ein SHT lebensbedrohlich werden lassen. Ursache für eine traumatische Verletzung des Gehirns sind meist Unfälle, aber auch bestimmte Kontaktsportarten, wie Eishockey oder American Football, können ein SHT bedingen. Die Schädigung des Gehirns bei einem SHT erfolgt in zwei Phasen: Die erste Phase umfasst die direkte Schädigung durch den Unfall. Diese ist nicht therapierbar, da zerstörte Neurone im Gehirn nicht regenerieren können. In der zweiten Phase treten, durch pathophysiologische Prozesse die im Hirn ablaufen, sekundäre Schädigungen auf, die zu einer weiteren Zerstörung von Neuronen führen können.
• Neurodegenerative Erkrankungen (Allgemein): Bei den neurodegenerativen Erkrankungen handelt es sich um eine Vielzahl von Krankheiten, bei denen nach und nach Neurone des ZNS absterben. Die häufigsten Erkrankungen sind Alzheimer, Parkinson und Chorea Huntington. Die Ursachen für die Erkrankungen können sowohl genetisch als auch sporadisch sein und sind nicht immer bekannt. Allerdings wurden einige zelluläre Mechanismen identifiziert, die bei den meisten Erkrankungen zur Zellschädigung beitragen. Dazu gehören: Störungen der Proteinhomöostase (Amyloid- und Tau-Ablagerungen bei Alzheimer, Synuclein bei Parkinson und Huntingtin bei Chorea Huntington). Außerdem finden sich gehäuft Mutationen in Hitzeschockproteinen und Chaperonen, erhöhter oxidativer Stress, Störungen der Mitochondrien oder des intrazellulären Transports und Entzündungsreaktionen.
• Schlaganfall: Beim Schlaganfall kommt es zu einer plötzlich auftretenden Störung des Blutflusses im Gehirn und dadurch zur Unterversorgung des Gewebes mit Sauerstoff und Nährstoffen. Das Gehirn wird lokal geschädigt und es kommt zu einem Verlust von Neuronen. Die Ursache des Schlaganfalls kann ischämisch sein, also hervorgerufen durch die Verstopfung eines Blutgefäßes z.B. durch einen Thrombus, oder eine Gefäßverengung. Des Weiteren kann auch eine Hirnblutung dafür verantwortlich sein, dass Teile des Gehirns unterversorgt werden. Da die Neurone im Gehirn nicht regenerieren, ist die Schädigung der betroffenen Zellen irreversibel.
• Multiple Sklerose (MS): Die Multiple Sklerose (MS) ist eine chronisch-entzündliche Autoimmunerkrankung und neben der Epilepsie, die häufigste neurologische Erkrankung bei jungen Erwachsenen. Die genauen Ursachen der Erkrankung sind bisher nicht geklärt. Es entstehen in der weißen Substanz von Gehirn und Rückenmark Entzündungsherde, in denen das körpereigene Immunsystem die Myelinschicht attackiert. Die Zerstörung der Myelinschicht führt dazu, dass die Signalweiterleitung entlang der Axone nicht mehr korrekt erfolgt, was letztendlich zu den Symptomen der MS führt. Mit Fortschreiten der Erkrankung funktioniert dieser Reparaturmechanismus allerdings nicht mehr und die Axone sterben ab, sodass klinische Symptome sich nicht mehr verbessern.

Demenz-Syndrom und seine Auswirkungen

Die Symptome einer Demenz sind vielfältig und können je nach Form und Grad unterschiedlich ausgeprägt sein. Für einen gesunden Menschen ist es selbstverständlich die Fähigkeit zu besitzen, Zusammenhänge begreifen zu können, Dinge zu verstehen und benennen zu können, oder auch Planungen vorzunehmen. Schon im Frühstadium eines Demenz-Syndrom kann es auffallend sein, dass es zu Wortfindungsstörungen kommt. Häufig wird versucht durch Umschreibungen der Worte, die Kommunikation aufrecht zu erhalten. Wenn selbst das nicht mehr gelingt, kann dies bis zu einer vollkommenen Verstummung führen. Innerhalb des Demenz-Syndroms kann es zu Einschränkungen der Auffassungsgabe kommen. Betroffene finden beispielsweise den sonst bekannten Weg, vom Supermarkt, oder Arzt nicht mehr nach Hause. Lebenssituationen werden falsch eingeschätzt, was häufig zu Gefühlen von Angst und Unsicherheit führen kann.

Veränderungen im Sozialverhalten und Antrieb

Veränderungen des Sozialverhalten und üblichen Verhaltensweisen können sich entwickeln und individuell ausgeprägt sein. Ein Beispiel könnte sein, dass immer gleichzeitig mit dem Essen begonnen wurde, und ein Betroffener sein Verhalten auf einmal ändert und im Vorhineinen mit dem Essen beginnt. Es kann sein, dass sich die Motivation und der Antrieb, für Dinge, die das Leben lang Freude machten, verändert. Auch die Stimmung kann sich verändern oder stark schwanken. Die Veränderungen können alle Areale des menschlichen Gehirns betreffen. In Abhängigkeit der Region im Gehirn, die betroffen ist, kommt es zu entsprechenden Ausfällen und Symptomen.

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Allgemeine Ursachen für Fehlfunktionen von Gehirn und Nervensystem

Fehlfunktionen von Gehirn und Nervensystem können durch eine ganze Reihe von Faktoren verursacht werden. Durch äußere Einwirkung, Vererbung oder einer Kombination von beidem kann das komplexe Geflecht geschädigt werden und zu neurologischen oder psychiatrischen Erkrankungen führen. Allerdings sind die genauen Ursachen und Zusammenhänge bei vielen Krankheiten bislang noch unbekannt.

Mangelnde Durchblutung

Die häufigste Ursache für eine Schädigung von Gehirn und Nervensystem ist eine mangelnde Durchblutung. Durch seine große Aktivität hat das Gehirn den größten Energiebedarf aller Organe. Es benötigt etwa 20% der gesamten Blutmenge, die vom Herzen in den Körperkreislauf gepumpt wird, und durch die Sauerstoff und Nährstoffe zu den Nervenzellen im Gehirn gelangen. Eine Unterbrechung dieser Versorgung, z.B. durch Aussetzen des Herzens, Ersticken oder Blutunterzuckerung führt zu einer Schädigung oder sogar zum Absterben der Nervenzellen.

Weitere Ursachen

Auch Gehirntumoren, krankhafte Veränderungen von Blutgefäßen, mechanische Verletzungen durch Unfälle, Blutungen ins Gehirn und Entzündungen können die Ursache für Funktionsstörungen sein. Weitere Gründe für Erkrankungen des Gehirns und des Nervensystems sind Störungen bei der Signalübertragung von einer Nervenzelle zur nächsten und Unregelmäßigkeiten im Stoffwechsel der Nervenzellen. Störungen der Hirnfunktion können auch von Gliazellen ausgehen. Diese Zellen sind an der Ernährung der Nervenzellen beteiligt und dienen ihnen als Stützgewebe.

Genetische Faktoren und Umwelteinflüsse

Bei zahlreichen Störungen des Gehirns und Nervensystems spielen genetische Faktoren eine wichtige Rolle. So zeigten Studien bei schizophrenen und manisch-depressiven Patienten, dass zumindest eine Veranlagung für diese Erkrankungen vererbt werden kann. Allerdings scheint ein Ausbruch dieser Erkrankungen durch Umwelteinflüsse begünstigt zu werden. Erbliche Faktoren und die Umwelt der Patienten wirken hier offenbar zusammen. Reine Erbkrankheiten weisen häufig Defekte im Stoffwechsel der Nervenzellen auf.

Äußere Einflüsse und das Immunsystem

Störungen der Hirnfunktion können auch durch äußere Einflüsse verursacht werden. Ein Beispiel dafür sind Infektionen durch Bakterien und Viren. Sie können bei den Patienten zum Beispiel zu einer Entzündung der Hirnhäute führen. Solche Entzündungen schädigen das Gehirn und können sogar tödlich enden. Auch Giftstoffe können zu schweren Beeinträchtigungen von Gehirn und Nervensystem führen. Neuronale Funktionsstörungen können auch durch das körpereigene Immunsystem ausgelöst werden. Dabei werden bestimmte Zellen im Gehirn und Nervensystem paradoxerweise als fremd eingestuft und von den Immunzellen geschädigt.

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