Das Nervensystem, ein komplexes Netzwerk, ermöglicht die Kommunikation und Koordination im Körper. Neben den Nervenzellen (Neuronen) spielen Gliazellen eine entscheidende Rolle. Im peripheren Nervensystem (PNS) sind es vor allem die Schwann-Zellen, die als Umhüllungszellen der Neuronen agieren und für deren Funktion unerlässlich sind.
Einführung in die Schwann-Zellen
Schwann-Zellen, benannt nach ihrem Entdecker Theodor Schwann, sind spezialisierte Gliazellen, die ausschließlich im peripheren Nervensystem vorkommen. Sie sind ektodermalen Ursprungs und übernehmen dort essenzielle Aufgaben. Ähnlich der Isolierung bei einem Stromkabel umhüllen sie im peripheren Nervensystem die Nervenfasern, die Nervenzellen mit Muskelzellen und Umgebung verbinden und Impulse übertragen.
Definition und Abgrenzung
Schwann-Zellen sind eine Form der Gliazellen. Im Gegensatz zu Neuronen sind Gliazellen nicht direkt an der Erregungsweiterleitung beteiligt, sondern haben unterstützende Funktionen für Neuronen inne. Schwann-Zellen umhüllen Axone im peripheren Nervensystem (PNS) und versorgen sie dabei mit Nährstoffen, elektrischer Isolation und mechanischer Stabilität.
Gliazellen umfassen verschiedene Zelltypen wie Oligodendrozyten und Astrozyten, die vor allem im zentralen Nervensystem tätig sind. Somit sind Schwannsche Zellen eine spezialisierte Untergruppe der Gliazellen.
Aufbau und Struktur der Schwann-Zellen
Schwann-Zellen kommen in Wirbeltieren immer in Kombination mit Neuronen vor. Sie sind in regelmäßigen Abständen an den Axonen von Neuronen lokalisiert, wobei sie die Substanz Myelin produzieren, die sich wie die Blätter auf einer Klopapierrolle um das Axon und die Schwann-Zelle legt. Die Myelinscheide eines Axons, bestehend aus Proteinen und Lipiden, wird von mehreren Schwann´schen-Zellen gebildet. Diese sind in regelmäßigen Abständen entlang der Axone zwischen dem Zellkörper (Soma) und den synaptischen Enden eines Neurons lokalisiert.
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Myelinscheide und Ranviersche Schnürringe
Die Abstände zwischen den einzelnen Schwann-Zellen werden Ranvier-Schnürringe genannt. Schwann-Zellen liegen somit immer im Verbund mit einem Axon zwischen dem Zellkörper (Soma) und den synaptischen Enden eines Neurons. Wird ein Querschnitt durch ein Axon mit seiner Ummantelung aus Schwann-Zellen gezogen, dann wird die Mantelstruktur der Schwann-Zellen erkennbar. Diese Mantelstruktur besteht aus einer Plasmamembran, die von den Schwann-Zellen produziert wird und zu einem Großteil aus Myelin besteht. Myelin ist ein lipidreiches Material, das den ummantelten Axonen eine weißliche Färbung gibt. Die eigentliche Schwann-Zelle hat dabei ihren Ursprung an der innersten Schicht der Myelinhülle und enthält in ihrem Inneren Mitochondrien. Wird Myelin produziert, wickelt es sich als Teil der Mantelstruktur von innen nach außen um die Schwann-Zelle und um das Axon. Die Umwicklung eines Axons mit Myelin wird Myelinscheide oder Markscheide genannt. Gelegentlich treten auch schräg verlaufende Unterbrechungen in der Myelinschicht auf, die als Schmidt-Lanterman-Einkerbungen bekannt sind.
Markhaltige und marklose Nervenfasern
Die Myelinscheide wird im ZNS durch Oligodendrozyten und im peripheren Nervensystem durch Schwann- Zellen gebildet und hüllt Axone ein. Axone und diese Hülle bilden eine Nervenfaser. Je nach Dicke der Markscheide kann man markreiche und markarme Nervenfasern unterscheiden. Ist keine Markscheide ausgebildet, liegen marklose Nervenfasern vor. Auch marklose Nervenfasern werden durch ihr Zytoplasma schützend umhüllt.
Funktionen der Schwann-Zellen
Schwann-Zellen erfüllen im Peripheren Nervensystem essenzielle Funktionen. Sie isolieren und ernähren Axone, sorgen für Stabilität und spielen darüber hinaus eine zentrale Rolle bei der Regeneration und Reparatur von Nervenfasern. Schwann´sche-Zellen bilden die Myelinscheiden der markhaltigen Nervenfasern und sorgen somit für eine schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen. Schwann-Zellen erstrecken sich über eine Länge von 0,1 bis 1,5 Millimeter und umwickeln einzelne Abschnitte von Axonen, die man als Internodien bezeichnet.
Myelinisierung und saltatorische Erregungsleitung
Durch die elektrische Isolierung an den Myelinscheiden, durch die Schwann-Zellen, sind spannungsgesteuerte Ionenkanäle lediglich in den Ranvier-Schnürringen vorhanden. Ein Aktionspotential “springt” also in einem Axon von Schnürring zu Schnürring und kann dementsprechend schneller durch den Organismus geleitet werden. Die “springende” Form der Erregungsweiterleitung durch Aktionspotentiale von Schnürring zu Schnürring wird saltatorische Erregungsleitung genannt. Schwann-Zellen ermöglichen durch die saltatorische Erregungsleitung eine extrem schnelle Signalweiterleitung in Axonen. Sie bilden Myelinscheiden, die Axone elektrisch isolieren, wodurch spannungsgesteuerte Ionenkanäle nur in den Ranvier-Schnürringen aktiv sind. Im Vergleich dazu ist die Signalweiterleitung in nicht myelinisierten Axonen langsamer, da hier viel mehr Ionenkanäle entlang des gesamten Axons öffnen und schließen müssen.
Die Geschwindigkeit eines Aktionspotentials in einem Axon mit Schwann-Zellen und Myelinscheide beträgt ca. 100 m/s oder 360 km/h, was wesentlich schneller ist als die Weiterleitung in Axonen ohne Schwann-Zellen und Myelinscheiden. Das liegt an der weitaus höheren Anzahl der spannungsgesteuerten Ionenkanäle, die in einem Axon ohne Schwann-Zellen pro Strecke für eine Weiterleitung des Aktionspotentials geöffnet und geschlossen werden müssen. Schwann-Zellen ermöglichen durch die Ausbildung der Myelinscheiden eine schnellere Signalweiterleitung in den Axonen von Wirbeltieren.
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Vorteile und Nachteile der saltatorischen Erregungsleitung
Die Vorteile und Nachteile der saltatorischen Erregungsleitung durch Schwann-Zellen sind:
- Vorteile:
- Durch die erhöhte Weiterleitungsgeschwindigkeit sind bei gleichen Durchmessern von Axonen, schnellere Reaktionen möglich.
- Axone mit einem geringeren Durchmesser können die gleiche Leistungsgeschwindigkeit erreichen, wodurch Material und Raum gespart wird.
- Nachteile:
- Schwann-Zellen und Myelinscheiden nehmen Platz ein, was besonders im Gehirn mit ca. 100 Milliarden Neuronen mit ihren Axonen ein Problem darstellt.
Axonale Regeneration
Der größte Vorteil der Schwann-Zellen ist neben der elektrischen Isolierung der Axone die axonale Regeneration. Schwann-Zellen ermöglichen es, beschädigte Axone bzw. Nervenfasern wieder zusammenwachsen zu lassen und haben somit einen regenerativen Effekt auf das Nervensystem. Oligodendrozyten haben die gleichen Funktionen im zentralen Nervensystem wie die Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem, allerdings können sie zerstörte Nervenfasern nur stark eingeschränkt oder gar nicht regenerieren. Deshalb sind Schädigungen im zentralen Nervensystem (Gehirn & Rückenmark) besonders verheerend für den Organismus.
Regulation der Zellreifung
Forscherinnen und Forschern des Instituts für Biochemie ist es gelungen, einen komplexen Zusammenhang innerhalb der Schwann-Zellen aufzuzeigen, der eine wichtige Rolle für die korrekte Zellreifung spielt. Im Mittelpunkt steht ein Eiweiß mit dem Namen „EP400“, dessen Vorkommen in Schwann-Zellen das Team erst kürzlich selbst entdeckt hat. Das Eiweiß sorgt in den Schwann-Zellen zusammen mit anderen Eiweißen dafür, dass die DNA richtig verpackt und mit Lesezeichen versehen wird. Das Verpacken ist immens wichtig, um die Erbinformationen möglichst kompakt im Zellkern unterzubringen. Die Lesezeichen erlauben das Auffinden und Ablesen der benötigten Informationen. In ihren Versuchen entfernten die Wissenschaftler das Eiweiß aus Schwann-Zellen. Daraufhin schaltete sich das Programm zur Zellentstehung nicht mehr korrekt ab und überlagerte das eigentlich folgende Reifungsprogramm, so dass einige nicht mehr gebrauchte Proteine unvermindert weitergebildet, andere benötigte Proteine aber nicht in ausreichendem Maß hergestellt wurden. Dies führte dazu, dass die Myelinscheiden der Schwann-Zellen nur mit Defekten ausreiften - sie waren zu dünn und kurz, entsprechend fehlerhaft die gesamte Schutzhülle der Nervenfasern.
Einfluss des Wnt/beta-Catenin Signalwegs
Gesteuert wird dieser fundamentale Prozess von einem Signalpfad, den Prof. Walter Birchmeiers Labor schon seit vielen Jahren untersucht - den Wnt/beta-Catenin Signalweg. Er ist einer der bisher am besten erforschten Signalwege. Das Forscherteam misst seiner Entdeckung eine besondere Bedeutung bei, da eine Fehlregulation von Schwannzellen zu einer Reihe schwerer Krankheiten führen kann.
HDAC8 und Regeneration
Ein Forschungsteam an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun einen Mechanismus entdeckt, der die Regeneration des peripheren Nervensystems abbremst. "Verantwortlich dafür ist ein Protein namens Histon-Deacetylase 8 oder kurz HDAC8", erklärt Neurobiologin Prof. Dr. Claire Jacob von der JGU. "Dieses Protein kommt in den Schwann-Zellen vor. Das periphere Nervensystem verdankt seine Reparaturfähigkeit besonders der hohen Plastizität der Schwann-Zellen. Ihr Forschungsteam fand heraus, dass HDAC8 der Umwandlung von Schwann-Zellen in den Reparaturtyp entgegenwirkt. Diese Umwandlung wird zumindest teilweise bei Sauerstoffmangel, zu dem es bei einer Verletzung des peripheren Nervensystems automatisch kommt, in Gang gesetzt. Eine Überraschung für die Forschenden war, dass HDAC8 diesen Mechanismus spezifisch in jenen Schwann-Zellen reguliert, die sensorische Axone mit Myelin umhüllen und so das erneute Wachstum von sensorischen Axonen und die Erholung der sensorischen Funktion kontrollieren.
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Klinische Relevanz: Erkrankungen und Therapieansätze
Fehlen die Schwann-Zellen oder sind sie defekt, kann es zu schweren Nervenerkrankungen kommen. Das Ziel von Forscherinnen und Forschern ist es, Personen, die an Krankheiten wie Diabetischer Neuropathie, der Charcot-Marie-Tooth-Krankheit oder dem Guillain-Barré-Syndrom leiden, irgendwann einmal helfen zu können.
Schwannome
Schwann-Zellen können Ausgangspunkt gutartiger Tumoren sein, die als Schwannome bezeichnet werden (WHO Grad 1). Ein bekanntes Beispiel ist das Vestibularis-Schwannom (auch Akustikusneurinom genannt), ein gutartiger Tumor der Myelinscheide des Nervus vestibularis. Dieser Tumor kann vom Porus acusticus internus in den Kleinhirnbrückenwinkel wachsen und den Hirnstamm erreichen. Er ist der häufigste Tumor in diesem Bereich und beeinflusst Hör- und Gleichgewichtssinn. Kleinere Tumore werden meist beobachtet, während größere durch operative Resektion oder fokussierte Bestrahlung behandelt werden.
Multiple Sklerose
Defizite bei den Oligodendrozyten haben zur Folge, dass wichtige Hirnfunktionen ausfallen. Das ist bei der Krankheit Multiple Sklerose der Fall. Das körpereigene Immunsystem greift das Myelin an und es kann nicht mehr ausreichend rasch nachgebildet werden.
Forschungsperspektiven
Das Verständnis der Mechanismen der verletzungsbedingten Degeneration und die Möglichkeit, die Moleküle zu identifizieren, die zur Regeneration bestimmt sind, werden dazu beitragen, dass gentechnische Verfahren entwickelt werden können, um diese Moleküle den verletzten Zellen anzubieten.