Der menschliche Körper ist ein komplexes System, in dem verschiedene Organe und Gewebe unterschiedliche Lebenszyklen aufweisen. Während einige Zellen sich ständig erneuern, um ihre Funktionen aufrechtzuerhalten, sind andere bemerkenswert langlebig und bleiben über die gesamte Lebensspanne des Organismus erhalten. Dieser Artikel beleuchtet die Lebensdauer von Neuronen und Herzmuskelzellen und untersucht die Faktoren, die ihre Stabilität und Erneuerung beeinflussen.
Neuronen: Ein Leben lang im Dienst?
Grundsätzlich gilt, dass unsere Nervenzellen bereits mit der Geburt angelegt sind. Danach verändern sich zwar die Verbindungen untereinander, aber nicht die Anzahl der Zellen. Man wird nicht dadurch klüger, dass man mehr Zellen bekommt, sondern dadurch, dass sich die Zellen in einer bestimmten Form organisieren, Synapsen ausbilden und bestimmte neuronale Abläufe optimieren. Tatsächlich regenerieren sich die Nervenzellen im Vergleich zu den meisten anderen Körperzellen erstaunlich wenig. Obwohl die Neubildung von Nervenzellen gerade ein intensiv beforschtes Thema ist, sprechen alle Anzeichen dafür, dass im Laufe des Lebens eines Menschen nur eine sehr geringe Anzahl von Neuronen neu dazukommen. Bei einem 50-Jährigen sind also die meisten seiner Zellen im Gehirn ebenfalls 50 Jahre alt. Vielleicht sind manche 49 Jahre und einige sogar wenige Tage jung, aber das ist die Ausnahme und nur in ganz bestimmten Hirnregionen der Fall. Bezogen auf die Gesamtanzahl der Neuronen, die man auf etwa 86 Milliarden schätzt, liegt der Anteil im Sub-Promillebereich.
Neuronale Stabilität und Funktion
Die Stabilität von Nervenzellen ist entscheidend für die langfristige Speicherung von Erinnerungen und die Aufrechterhaltung kognitiver Funktionen. Da beschädigte Nervenzellen nicht ersetzt werden können, sind Erkrankungen, bei denen Nervenzellen absterben, wie Alzheimer, so schwer behandelbar. Umso wichtiger ist es, die Mechanismen zu verstehen, die zur Langlebigkeit und zum Schutz von Neuronen beitragen.
Faktoren, die die neuronale Lebensdauer beeinflussen
Umgekehrt können wir im Laufe unseres Lebens Nervenzellen verlieren, je nachdem, wie wir altern. Erleidet jemand etwa einen Schlaganfall, der ein Viertel seines Gehirns betrifft, verliert er dadurch auch etwa ein Viertel seiner Nervenzellen. Aber auch Kopfverletzungen und Infektionen können Nervenzellen zerstören. Neben genetischen Faktoren und Umwelteinflüssen spielt auch die Lebensführung eine Rolle. Sportliche Betätigung, eine sinnvolle Ernährung, Blutdruckkontrolle und kein Nikotin sind gute Mittel, um das Risikoprofil zu senken. Bei neurodegenerativen Erkrankungen, wie zum Beispiel der Alzheimer Erkrankung, sterben nach und nach Zellen ab, ohne dass bis heute genau geklärt ist, warum dies mit zunehmendem Alter einen immer größeren Anteil der Menschen betrifft, während andere Menschen fast unbeschadet sehr „erfolgreich“ altern. Der zelluläre Verlust der Betroffenen beginnt dabei vermutlich schon sehr früh. Wenn etwa ein Betroffener mit 60 oder 65 Jahren Anzeichen einer Demenz entwickelt, sind diese Symptome das Tüpfelchen auf dem I. Man geht davon aus, dass die Patienten zu diesem Zeitpunkt bereits seit bis zu zwanzig Jahren Nervenzellen verlieren. In dieser langen Zeit kann ihr Gehirn das aber durch geschickte Reorganisation der gesunden Zellen kompensieren. Aber auch wenn alles perfekt läuft: Die grauen Zellen nehmen mit dem Alter ab. Um sich fit zu machen für den Zellabbau im Alter ist es gut, das Gehirn lebenslang aktiv zu halten. Resilienz, ein Schlagwort der Forschung, bedeutet, dass ein sehr „fittes“ Gehirn auch länger den Zellverlust wettmachen kann. Es geht dabei nicht allein um Intelligenz, sondern auch darum, inwieweit es zu ständigem Lernen kommt; vor allem, dass man lernt, mit neuen Situationen flexibel umzugehen. Das kann ein Schutzfaktor sein.
Neurogenese im Erwachsenenalter
Noch bis zur Jahrtausendwende ging man davon aus, dass die Zahl der Zellen im menschlichen Zentralnervensystem mit fortschreitendem Alter abnimmt. Die Neubildung von Nervenzellen nach der Geburt galt als ausgeschlossen. Erst 1998 identifizierte Peter Eriksson bei der Untersuchung der Gehirnsubstanz verstorbener Krebspatienten neu gebildete Zellen anhand von radioaktiven Markierungen in der DNA. Diese radioaktiven Marker waren den Patienten ursprünglich injiziert worden waren, um das Tumorwachstum visuell nachverfolgen zu können. Da die Marker nur während der Zellteilungen in die DNA aufgenommen sein konnten, war so der Nachweis erbracht, dass es sich bei den markierten Zellen tatsächlich um Neubildungen handeln musste. Radioaktive Substanzen nutzen auch die schwedischen Forschern um Jonas Frisén und Kirsty Spalding, um zu beweisen, dass sich nach der Geburt neue Nervenzellen bilden. Infolge oberirdischer Atomtests in den Jahren zwischen 1945 - 1963 erhöhte sich die Konzentration des radioaktiven Kohlenstoff-Isotops C14 in der Atmosphäre, das über die Nahrungskette in den menschlichen Körper gelangt. In der DNA von Hirnzellen lässt sich der C14 - Wert messen. Aus den ermittelten C14 - Werten bei 55 Verstorbenen im Alter von 19 bis 92 Jahren errechneten die Wissenschaftler, dass sich bei Erwachsenen pro Tag ca. 700 neue Neuronen im Hippocampus bilden (1). Die neuen Nervenzellen liegen in einem Teil des Hippocampus, dem Gyrus dentatus, der primär für die Verarbeitung neuer Informationen, für das Lernen und für das Gedächtnis, zuständig ist. So liegt die Frage nahe, ob die neuen Zellen schlicht die Leistungen der abgestorbenen ersetzen und Defizite reparieren könnten und möglicherweise ein Weg gefunden ist, psychiatrische und neurologische Erkrankungen, wie z.B. Studien mit Mäusen zeigen zwar eine Verbindung zwischen Hirnzellenneubildung und Depressionsminderung, jedoch keinen ursächlichen - linearen Zusammenhang. Symptome von Depressionen treten bei einer erniedrigten Zahl an neugebildeten Hirnzellen erst unter Stress auf und können mit Antidepressiva erst dann gelindert werden, wenn die Tiere in einem stressarmen Umfeld leben. An dementen Mäusen wird beobachtet, dass sich die Zahl der neugebildeten Neuronen verringert, wenn im Verlaufe der Krankheit unwiederbringlich Hirnzellen absterben. Ob Demenz tatsächlich aufzuhalten ist, wenn die Nachlieferung von neuen Zellen intensiviert ist, bleibt ungeklärt.
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Stimulation der Neurogenese
In Untersuchungen an Mäusen und Affen konnte bislang gezeigt werden, dass sich gerade durch die dauerhafte Inanspruchnahme bestimmter Areale im Hippocampus Zellen neu bilden und weiter entwickeln können. Besonders wirksam sind - unter Laborbedingungen - neben Anregungen aus einer abwechslungsreichen Umgebung insbesondere motorische Anreize. Es wird vermutet, dass körperliche Aktivität die Konzentration von Wachstumsfaktoren (FGF-2) im Blut erhöht. Diese können im Gehirn die Blut-Hirnschranke überwinden und im Prinzip die Neubildung von Nervenzellen stimulieren (3). Bleiben die Stimulationen aus, sterben die neugebildeten Zellen allerdings rasch ab.
Funktion der neuen Hirnzellen
Laut aktuellem Forschungsstand ersetzen neue Hirnzellen die alten Zellen funktional im Netzwerk nicht, sondern unterstützen die Anpassung an veränderte Situationen. Nichts desto trotz sehen Wissenschaftler in der Neurogenese, die die Bildung von Nervenzellen aus Stamm- und Vorläuferzellen beschreibt, insbesondere ein Feld für Möglichkeiten in der Prävention. Denkbar sei, dass ein gezieltes Training die Flexibilität des menschlichen Gehirns im Alter länger erhalten und vielleicht auch den geistigen Abbau verzögern könne (4). In letzter Zeit häufen sich Belege in internationalen Studien, dass sich das Risiko, an Demenzen und Depressionen zu erkranken, insbesondere durch sportliche Betätigung signifikant verringern lässt (5;6). Noch gibt es für diesen Effekt keine schlüssige neurophysiologische Erklärung.
Langlebige RNA in Neuronen
Martin Hetzer, Molekularbiologe und Präsident des Institute of Science and Technology Austria (ISTA), und Kolleg:innen haben nun bemerkenswert stabile Moleküle gefunden. Es handelt sich um RNA, die üblicherweise als kurzlebig gilt, jedoch in Nervenzellen von Mäusen über deren gesamte Lebensdauer hinweg fortbesteht. Die Wissenschafter:innen identifizierten spezifische RNAs mit genomschützenden Funktionen in den Nervenzellen von Mäusen, die zwei Jahre, also ein ganzes Mäuseleben lang, nicht abgebaut werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Science veröffentlicht und unterstreichen einmal mehr, wie wichtig langlebige Schlüsselmoleküle für die Aufrechterhaltung der Zellfunktionen sind. Zusammenfassend zeigt die neue Studie, dass langlebige RNAs zur dauerhaften Regulierung der Genomstabilität beitragen könnten. „Die Selbsterhaltung der Zellen im Alter erfordert eine erweiterte Lebensdauer von Schlüsselmolekülen wie den langlebigen RNAs, die wir nun entdeckt haben“, fügt Hetzer hinzu.
Mikroglia: Wächter des Gehirns mit langer Lebensdauer
In ihrer Studie verfolgten die Wissenschaftler einzelne Mikrogliazellen über ihre gesamte Lebenspanne unter dem Mikroskop. Die unerwartet lange Lebenszeit gibt Hinweise auf weitere mögliche Aufgaben der bislang noch wenig erforschten Hirnzellen: „Ihre Langlebigkeit ermöglicht es ihnen, zu lernen und zu altern“, erklärt Studienleiter Professor Dr. Mathias Jucker. Bislang ist unklar, ob Mikrogliazellen ein Gedächtnis für Krankheitserreger ausbilden können, wie es Immunzellen im restlichen Körper tun. Diese Funktion sorgt für eine schnellere und effizientere Aktivierung der Abwehrzellen bei einem Zweitkontakt. „Wenn Mikrogliazellen nur kurz leben würden, würde ein Immungedächtnis bei ihnen wenig Sinn ergeben. Jetzt, da wir wissen, dass das nicht der Fall ist, ist es gut vorstellbar“, sagt Dr. Angelos Skodras, der ebenfalls federführend an der Studie beteiligt war. Darüber hinaus stehen Mikroglia bereits seit Längerem in Verdacht, eine Rolle bei der Entstehung altersbedingter neurologischer Erkrankungen zu spielen. „Eine erstaunliche Erkenntnis der letzten Jahre ist, dass fast alle Risikofaktoren für die Alzheimererkrankung Veränderungen in Genen sind, die in Mikrogliazellen aktiv sind“, so Jucker. Wie die Zellen zur Krankheitsentwicklung beitragen können, ist noch unklar. Die Anzahl der Mikrogliazellen ist im gesunden Gehirn immer etwa gleich. Tatsächlich zeigte die Hälfte der untersuchten Zellen eine errechnete Lebensdauer von bis zu 28 Monaten, was einem ganzen Mäuseleben entspricht.
Herzmuskelzellen: Ausdauernde Arbeiter des Herzens
Im Gegensatz zu den sich schnell erneuernden Zellen des Verdauungstrakts oder der Haut lassen es die Herzmuskelzellen vergleichsweise langsam angehen. "Die Zellen, die den Großteil des Herzens ausmachen, sind erstaunlicherweise extrem langlebig", sagt Martin Hetze. "Sie erneuern sich nach einigen Studien über die ganze Lebensdauer eines Menschen ungefähr nur zu 50 Prozent." Die andere Hälfte der Herzmuskelzellen ist dann tatsächlich so alt wie wir. Warum sie so lange gut arbeiten können, darauf hat die Wissenschaft bisher keine Antwort.
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Proteinstabilität und Herzgesundheit
In einer internationalen Forschungskooperation unter Beteiligung der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) haben Forschende die bisher umfassendste Karte zur Lebensdauer verschiedener Proteine in zahlreichen Geweben des Körpers erstellt. Sie konnten dabei einen Mechanismus identifizieren, der die Stabilität von Proteinen erhöht und dadurch neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson begünstigt. Die Forschenden fanden heraus, dass ein Mechanismus, der für das Ein- und Ausschalten von Proteinen sorgt, auch eine Rolle bei der Stabilisierung von Proteinen spielt: die Proteinphosphorylierung. Hierbei werden Phosphatgruppen auf Proteine übertragen, welches dazu führt, dass das entsprechende Protein eingeschaltet, sprich aktiviert wird. Die Entfernung der Phosphatgruppen schaltet das Protein aus. Das Verständnis darüber wie die Phosphorylierung die Stabilität und den Umsatz von Proteinen beeinflusst, könnte dazu beitragen, neue therapeutische Strategien zur Behandlung von Parkinson und Alzheimer zu entwickeln. Zum Beispiel indem man solche krankhaften Veränderungen verhindert oder umkehrt“, so Fornasiero.
Telomere und Alterung von Gehirn und Körper
Telomere sind die Schutzkappen unserer Chromosomen und spielen im Alterungsprozess eine zentrale Rolle. Kurze Telomere werden mit chronischen Krankheiten in Verbindung gebracht - zur Verkürzung beitragen kann zum Beispiel eine hohe Stressbelastung. Verändern sich Telomere in ihrer Länge, spiegelt sich das direkt in unserer Hirnstruktur. Das Ergebnis: „Unser biologisches Alter scheint flexibler zu sein, als bisher angenommen. Anzeichen von Alterung auf verschiedenen biologischen Ebenen können schon innerhalb von drei Monaten parallel verändern“, sagt Puhlmann. Veränderten sich die Telomere in der Länge, so war dies mit plastischen Veränderungen im Gehirn verbunden. Wenn sich die Telomere also bei den Studienteilnehmern verlängerten, konnte auch eine stärkere Tendenz zur Verdickung des Kortex gemessen werden. Andersherum war eine Telomerverkürzung mit einer Verdünnung der Großhirnrinde verbunden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass bereits kurzfristige Veränderungen der Telomerlänge Schwankungen im Gesundheits- und Alterungszustand eines Körpers im Allgemeinen widerspiegeln.
Tod und Erneuerung: Ein ständiger Kreislauf
Der Tod begleitet uns unmerklich und ständig - 50 Millionen Zellen sterben pro Sekunde in unserem Körper ab, werden aber immer wieder neu gebildet. Wenn aber Herz und Kreislauf versagen, beginnt das endgültige Sterben unserer 100 Billionen Zellen. Am empfindlichsten ist das Gehirn: Schon nach 3 Minuten ohne Sauerstoff entstehen bleibende Schäden. Nach spätestens 10 Minuten ist ein Großteil der Gehirnzellen abgestorben…Kurze Zeit später folgen die Herzzellen. Lunge und NierenDie Zellen der Lunge halten es noch bis zu 1 Stunde nach einem Herzstillstand aus, die der Nieren sogar bis zu 2 Stunden. Dann sterben auch diese Zellen ab. Während dieser Zeit wird der Körper immer kälter. MuskelnDie Muskeln halten länger durch als die Organe: Bis zu 8 Stunden lang können sie sich auch ohne Sauerstoff noch zusammenziehen. Allerdings setzt nach etwa 1 Stunde langsam die Totenstarre ein, zuerst an den Augenlidern. Sie wandert dann abwärts. Ein Indiz für Rechtsmediziner. Der DarmSpätestens nach 48 Stunden löst sich die Totenstarre wieder, weil sich die abgestorbenen Muskelzellen teilweise auflösen. Am längsten arbeitet nach unserem Tod noch der Darm.
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