Die pathologische Untersuchung von Gehirnzellen ist ein entscheidender Bereich der neurowissenschaftlichen Forschung und der klinischen Diagnostik. Sie ermöglicht es, die Ursachen und Mechanismen von neurologischen Erkrankungen zu verstehen und zu diagnostizieren. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Methoden, die in der pathologischen Untersuchung von Gehirnzellen eingesetzt werden, und geht auf aktuelle Fortschritte und innovative Ansätze ein.
Einführung
Die Untersuchung von Gehirnzellen umfasst ein breites Spektrum an Techniken, von der mikroskopischen Analyse von Gewebeschnitten bis hin zu hochmodernen molekularen und bildgebenden Verfahren. Diese Methoden liefern wichtige Informationen über die Struktur, Funktion und Zusammensetzung von Gehirnzellen und tragen dazu bei, neurologische Erkrankungen besser zu verstehen und zu behandeln.
Traditionelle histologische Methoden
Die histologische Untersuchung von Gewebeschnitten ist ein grundlegendes Verfahren in der Neuropathologie. Dabei werden Gewebeproben fixiert, in dünne Scheiben geschnitten und gefärbt, um die zelluläre Struktur sichtbar zu machen.
Gewebepräparation und Färbetechniken
Die Gewebeproben werden in der Regel in Formalin fixiert, um die Zellstruktur zu erhalten. Anschließend werden sie in Paraffin eingebettet, um sie in dünne Scheiben schneiden zu können. Verschiedene Färbetechniken, wie Hämatoxylin und Eosin (H&E), werden eingesetzt, um Zellkerne und Zytoplasma darzustellen und pathologische Veränderungen zu erkennen.
Mikroskopische Analyse
Die gefärbten Gewebeschnitte werden unter dem Mikroskop untersucht, um Veränderungen in der Zellmorphologie, Gewebearchitektur und Entzündungsreaktionen zu identifizieren. Diese Analyse ermöglicht es, Tumoren, Entzündungen, degenerative Veränderungen und andere pathologische Prozesse zu erkennen.
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Immunhistochemie
Die Immunhistochemie ist eine wichtige Methode, um spezifische Proteine und andere Moleküle in Gewebeschnitten nachzuweisen. Dabei werden Antikörper verwendet, die an bestimmte Zielmoleküle binden und diese sichtbar machen.
Antikörperbasierte Detektion
Antikörper werden verwendet, um spezifische Strukturen im Tumorgewebe sichtbar zu machen, die für die diagnostische Einschätzung hochrelevant sind. Der immunhistochemische Nachweis von mutierter Isozitratdehydrogenase 1 (IDH1 R132H) ermöglicht die Identifikation von infiltrierenden Gliomzellen im Gehirn, die anders nicht detektierbar wären. Der Nachweis bestimmter Transkriptionsfaktoren, z. B. TTF1 oder CDX2, erlaubt die Zuordnung von Metastasen zu Primärtumoren aus der Lunge oder dem Gastrointestinaltrakt. Die Bestimmung der Expressionshöhe von Oberflächenrezeptoren wie Her2neu oder PD-L1 erlaubt darüber hinaus eine Vorhersage zum Therapieerfolgswahrscheinlichkeit mit bestimmten Medikamenten.
Anwendung in der Tumordiagnostik
In der Tumordiagnostik wird die Immunhistochemie eingesetzt, um Tumorzellen zu identifizieren, ihren Ursprung zu bestimmen und ihr Wachstumspotenzial einzuschätzen. Sie ermöglicht es auch, Marker zu identifizieren, die für die Therapieentscheidung relevant sind.
Molekulare Diagnostik
Die molekulare Diagnostik hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen und ist ein integraler Bestandteil der neuropathologischen Untersuchung geworden. Sie umfasst verschiedene Techniken, die es ermöglichen, genetische und epigenetische Veränderungen in Gehirnzellen zu analysieren.
Analyse von DNA und RNA
Die molekulare Diagnostik umfasst die Analyse von DNA und RNA, um Mutationen, Genexpression und andere molekulare Veränderungen zu identifizieren. Diese Analysen können an Gewebeschnitten, Zellkulturen oder Liquorproben durchgeführt werden.
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Bedeutung für die Therapieentscheidung
Die molekulare Diagnostik liefert wichtige Informationen für die Therapieentscheidung. Beispielsweise kann die Untersuchung des MGMT-Gens eine Abschätzung des Ansprechens auf die Folgetherapie ermöglichen und möglicherweise auch die Wahl der Therapie beeinflussen. Außerdem kann das Ergebnis der MGMT-Untersuchungen auch eine Aussage zur Prognose erlauben.
Molekulare Marker
Ein Beispiel für solche molekularen Marker sind Mutationen: Veränderungen des Erbguts (DNA) in Abschnitten, die als Bauplan für bestimmte Eiweiße dienen (Gene). Beispielsweise treten Mutationen in dem Gen für das wichtige Stoffwechselenzym „Isocitrat-Dehydrogenase“ (IDH) in anderen Hirntumoren wie den Astrozytomen und Oligodendrogliomen auf, jedoch nie in Glioblastomen. Eine IDH-Mutation ist meist mit einer besseren Prognose vergesellschaftet und ist v. a. bei jüngeren Patienten zu finden. Bei Patienten über 60 Jahren liegt häufig keine IDH-Mutation vor, was man als „IDH-Wildtyp“ bezeichnet.
Bildgebende Verfahren
Bildgebende Verfahren spielen eine wichtige Rolle in der Diagnose und Überwachung von neurologischen Erkrankungen. Sie ermöglichen es, die Struktur und Funktion des Gehirns nicht-invasiv zu untersuchen.
Magnetresonanztomographie (MRT)
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein bildgebendes Verfahren, das detaillierte Bilder des Gehirns liefert. Sie kann zur Diagnose von Tumoren, Entzündungen, Schlaganfällen und anderen neurologischen Erkrankungen eingesetzt werden.
Funktionelle MRT (fMRT)
Eine fMRT nutzt dasselbe Gerät, doch es zeigt nicht die Struktur, sondern die Aktivität. Dies funktioniert dank unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften sauerstoffreichen und sauerstoffarmen Blutes. Mit Hilfe des Magneten kann man daher zielgenau feststellen, wo im Gehirn mehr oder weniger Sauerstoff verbraucht wird. Ähnlich wie PET zeigt fMRT damit eine Karte der aktuell aktiven Regionen des Gehirns. Gemeinsam haben diese bildgebenden Verfahren, dass ohne jede Gefährdung des Patienten oder Studienteilnehmers sehr genau festgestellt werden kann, wie genau bestimmte Hirnareale geformt sind oder wo im Gehirn eine Funktion stattfindet. Dieses Wissen kann helfen, die grundlegenden Mechanismen des Gehirns zu verstehen oder neue Therapiemethoden für körperliche oder psychische Störungen zu finden.
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Positronenemissionstomographie (PET)
Beim PET wird ein radioaktives Kontrastmittel gegeben, welches in die aktiven Bereiche des Gehirns transportiert wird. So ergibt sich eine Art Karte des Gehirns, in der dessen Aktivität dargestellt wird.
Ultraschall
Eine Lanze für den Ultraschall zur Diagnose diverser Erkrankungen im Gehirn brachen kürzlich Mediziner im Rahmen einer Pressekonferenz der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM). Professor Dr. Karl-Hein Deeg rät regelrecht davon ab, Untersuchungen am Schädel von Früh- und Neugeborenen im MRT durchzuführen. Der ehemalige Chefarzt der Klinik für Kinder- und Jugendliche am Klinikum Bamberg spricht sich klar für den Einsatz von Ultraschall aus, um Blutungen oder Fehlbildungen sowie Ventrikelerweiterungen im Gehirn zu erkennen.
MRT-gesteuerter fokussierter Ultraschall (MRgFUS)
Vielversprechend ist daher eine relativ neue Technik zur Bekämpfung des essentiellen Tremors, der MRT-gesteuerte fokussierte Ultraschall (MRgFUS). Mittels Ultraschalls wird hierbei im MRT Hirngewebe verödet. Zunächst wird jedoch eine Testerwärmung durchgeführt, die die Nervenzellen vorübergehend lahmlegt. Treten keine störenden Nebenwirkungen auf, wird mit der irreversiblen Verödung begonnen.
Zellkulturmodelle
Zellkulturmodelle sind ein wichtiges Werkzeug, um die Mechanismen von neurologischen Erkrankungen zu untersuchen. Sie ermöglichen es, Gehirnzellen in einer kontrollierten Umgebung zu kultivieren und zu manipulieren.
Kultivierung von Gehirnzellen
Gehirnzellen können aus Gewebeproben oder induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) gewonnen und in Zellkulturen kultiviert werden. Diese Kulturen können verwendet werden, um die Auswirkungen von genetischen Mutationen, Umweltfaktoren und Medikamenten auf die Zellfunktion zu untersuchen.
Untersuchung von neurodegenerativen Erkrankungen
Mit einer einzigartigen Untersuchungsmethode wollen Tübinger Forschende herausfinden, welche Rolle die sogenannten Gliazellen im Gehirn bei der Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen spielen. Sie arbeiten dafür mit menschlichem Gewebe, das bei Operationen am Kopf entfernt werden muss. Diesen innovativen Ansatz unterstützt die amerikanische Chan Zuckerberg Initiative mit 1,6 Millionen US-Dollar.
Die Besonderheit: Im Inkubator (Brutschrank für Gewebekulturen) laufen die zellulären Prozesse im Gewebe noch wochenlang weiter, auch lange nach der Entfernung aus dem Körper. Unter Hirnforschern hat sich in den vergangenen Jahren die Hypothese erhärtet, dass neuronale Fehlfunktionen vor allem durch Veränderung in den Gliazellen hervorgerufen werden. Gliazellen sind eine Art Hilfszellen, die rings um die Nervenzellen angeordnet sind. Sie versorgen die Nervenzellen mit Nährstoffen und allen anderen Substanzen, die sie für ihre Arbeit benötigen. Wenn diese Gliazellen nun nicht mehr fehlerfrei arbeiten, dann leiden darunter die Nervenzellen - und die sind für die Informationsverarbeitung im Gehirn zuständig.
Experimentelle Modelle
Dazu untersuchen sie, was passiert, wenn sie die Zellen gezielt erkranken lassen. Sie träufeln auf das kultivierte Gewebe eine Flüssigkeit, die sogenannte Seeds enthält. Das sind kleine Klümpchen falsch gefalteter Eiweiße. In Nervenzellen rufen sie krankhafte Veränderungen hervor, an deren Ende eine neurodegenerative Erkrankung wie Alzheimer oder Parkinson steht. „Im Experiment fügen wir diese falsch gefalteten Proteine künstlich hinzu; bei Patientinnen und Patienten entstehen sie aber direkt im Körper“, sagt Deborah Kronenberg-Versteeg. In genau diesem Moment beginnt für sie und ihr Team die spannendste Phase: „Wir können live mitverfolgen, wie das Gewebe auf diesen Einfluss reagiert. Bilden sich Ablagerungen? Wie schnell geht das? Und auch: Kann junges Gewebe die falsch gefalteten Eiweiße besser abbauen als altes Gewebe?“
Autopsie-Untersuchungen
Autopsie-Untersuchungen am verstorbenen Patienten werden durchgeführt, wenn dies seitens der Angehörigen und behandelnden Ärzten angefordert wird. Hierbei werden sowohl makroskopisch, als auch mikroskopisch neuropathologische Befunde im Gehirn und Rückenmark erhoben, um eventuell Klarheit über Todesursache oder todesursächlichen Erkrankungen zu erlangen. Die Autopsie, d. h. die Untersuchung nach dem Tode trägt nicht nur zur Weiterbildung der Ärzte in der Klinik und der Verifizierung der Diagnosen bei und ist somit ein wichtiges Instrument der Qualitätssicherung, sie ist auch von großer Bedeutung für die Erkennung und Überwachung der Häufigkeit von klinisch nicht sicher zu diagnostizierenden Erkrankungen. Nach Abschluß der erforderlichen Diagnostik zur Erstellung einer neuropathologischen Diagnose werden die für die Histologie asservierten Gewebeproben als Paraffin-eingebettete Gewebe-Blöckchen und histologische Schnittpräparate archiviert.
Weitere Methoden
Die klinische Neuropathologie beschäftigt sich mit den krankhaften Veränderungen des zentralen und peripheren Nervensystems und der Skelettmuskulatur. Die Arbeitsmethoden der klinischen Neuropathologie sind vielfältig, zu ihnen zählen die licht- und elektronenmikroskopische Untersuchung von Geweben, die in zunehmendem Maße durch die Methoden der Immunologie und Molekularbiologie erweitert werden.
- Elektronenmikroskopische Untersuchungen: Anhand von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können winzige zelluläre Strukturen im Gewebe identifiziert werden, die auf bestimmte Erkrankungen hinweisen - vor allem bei Erkrankungen des peripheren Nervensystems bzw. in der Skelettmuskulatur.
- Enzymhistochemische Untersuchungen: Dies ist eine weitere histologische Methode, bei dem Enzyme in Präparaten nachgewiesen werden können.
- Zytologische Bestimmungen: Zum Spektrum der neuropathologischen Diagnostik gehört die Untersuchung von „Hirnwasser“, fachlich „Liquordiagnostik“ genannt.
Herausforderungen und Zukunftsperspektiven
Die pathologische Untersuchung von Gehirnzellen steht vor einer Reihe von Herausforderungen. Dazu gehören die begrenzte Verfügbarkeit von menschlichem Gewebe, die Komplexität des Gehirns und die Notwendigkeit, die Ergebnisse aus verschiedenen Methoden zu integrieren.
Künstliche Intelligenz und Big Data
Die Anwendung von künstlicher Intelligenz (KI) und Big Data-Analysen bietet neue Möglichkeiten, die pathologische Untersuchung von Gehirnzellen zu verbessern. KI-Algorithmen können verwendet werden, um Muster in großen Datensätzen zu erkennen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Dies kann dazu beitragen, neue Biomarker zu identifizieren, die Diagnose zu verbessern und die Therapieentscheidung zu unterstützen.
Einzelzellanalyse
Die Einzelzellanalyse ist eine vielversprechende neue Technologie, die es ermöglicht, die molekulare Zusammensetzung einzelner Gehirnzellen zu untersuchen. Dies kann dazu beitragen, die Heterogenität von Gehirnzellen besser zu verstehen und neue Angriffspunkte für die Therapie zu identifizieren.
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