Die Forschung im Bereich der Rückenmarksverletzungen hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht, insbesondere im Hinblick auf die Regenerationsfähigkeit von Nervenzellen bei verschiedenen Tierarten. Diese Erkenntnisse bieten neue Hoffnung für die Entwicklung von Therapien zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen beim Menschen.
Umgebungsbedingungen und Nervenzellregeneration
Eine Studie unter der Leitung von Professor Dr. Simone Di Giovanni hat gezeigt, dass die Umgebung, in der Nagetiere gehalten werden, einen wesentlichen Einfluss auf die Heilung von geschädigten Nervenzellen hat. Nagetiere, die in großen Käfigen mit vielen Artgenossen, Spielzeug, Tunneln, Schaukeln und Laufrädern aufwachsen, zeigten ein verstärktes Nervenzellwachstum nach einer Rückenmarksverletzung.
Schlüsselmoleküle identifiziert
Die Wissenschaftler identifizierten mehrere Moleküle, die bei diesem Mechanismus eine Schlüsselrolle spielen. Eines davon, das CREB Binding Protein, programmiert ausgewachsene Nervenzellen in regenerierbare Zellen um. Durch die Injektion eines Mittels, das dieses körpereigene Protein aktiviert, gelang es den Forschern, den regenerativen Effekt einer stimulierenden Umgebung nachzuahmen.
Aktiver Lebensstil als unterstützender Faktor
Die Studie deutet darauf hin, dass ein aktiver Lebensstil generell den Heilungsprozess nach Nervenverletzungen unterstützen kann. Fallbeschreibungen zeigen, dass Personen, die vor ihrer Querschnittslähmung einen aktiven Lebensstil geführt haben, sich besser erholen als weniger aktive Patienten.
Zebrabärblinge als Modell für vollständige Heilung
Ein Forschungsteam der Universität zu Köln hat herausgefunden, dass Zebrabärblinge (Zebrafische) nach einer Rückenmarksverletzung ihre Nervenbahnen neu bilden und ihre Bewegungsfunktion vollständig wiederherstellen können. Im Gegensatz zu Menschen, bei denen Narbengewebe und anhaltende Entzündungen die Regeneration verhindern, können Zebrabärblinge selbst schwerste Rückenmarksverletzungen vollständig heilen.
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Die Rolle von Fibroblasten
Die Kölner Forschenden untersuchten verletztes Rückenmark des Zebrabärblings auf Einzelzellebene und entdeckten, dass spezielle Zellen des Bindegewebes, sogenannte Fibroblasten, eine doppelte Rolle spielen. Sie lösen zunächst die Entzündungsreaktion aus, die die Heilung in Gang setzt, und beenden sie anschließend wieder, damit das Gewebe sich regenerieren kann. Gleichzeitig unterdrücken die Fibroblasten im Zebrabärbling die Synthese von Narbenbestandteilen, die die Regeneration bei Säugern und Menschen hemmen.
Präzise Steuerung von Entzündung und Heilung
Professor Dr. Daniel Wehner vom Institut für Zoologie der Universität zu Köln erklärt, dass der Zebrabärbling bei einer Verletzung des Rückenmarks die Entzündung und Heilung sehr präzise steuert. Das Ziel der Forschung ist es, dieses Wissen für die Entwicklung therapeutischer Ansätze zur Förderung der Regeneration beim Menschen zu nutzen.
Einzelzellanalyse als Grundlage
Als Grundlage für die Erforschung des Heilungsmechanismus führten die Wissenschaftler erstmals eine umfassende hochauflösende Einzelzellanalyse aller RNA-Moleküle der gesamten Wundumgebung im Zebrabärbling durch. Dieser Datensatz ermöglicht die Analyse komplexer Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen.
Neue Therapieansätze und Erfolge bei Mäusen
Forschende haben eine neue Therapie entwickelt, die bei Mäusen Lähmungen infolge eines durchtrennten Rückenmarks aufhebt. Der Großteil der Tiere konnte danach wieder laufen, was Hoffnung für einen Einsatz beim Menschen weckt.
Regeneration der Axone als entscheidender Faktor
Bekannt ist, dass die Regeneration der durchtrennten Axone entscheidend für die Wiederherstellung der motorischen Fähigkeiten ist. Forschende arbeiten an Therapiemethoden, um Gelähmten ihre motorischen Fähigkeiten zurückzugeben.
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Dreistufige Therapie zur Stimulation, Unterstützung und Anziehung von Axonen
Das Team um Jordan Squair von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) entwickelte eine dreistufige Therapie, die sie an Mäusen mit komplett durchtrenntem Rückenmark testeten. Die Therapie beinhaltete die Stimulation, die Unterstützung und die Anziehung der wachsenden Axone. Zunächst stimulierten die Forschenden das natürliche Wachstumsprogramm der benötigten Neuronen, indem sie die Produktion von drei Wachstumsfaktoren (Spp1, Igf1, Cntf) anregten. Im dritten Schritt injizierte das Team den Mäusen zunächst ein Molekül (GDNF) in die Nervenfasern, das diese anzieht und zu ihren natürlichen Zielen unterhalb der Verletzung lenkt.
Gelähmte Mäuse können wieder laufen
Diese Therapie wurde bei insgesamt 30 Mäusen angewendet, deren Rückenmark anatomisch komplett geschädigt war. Drei bis vier Wochen nach der Behandlung konnten 27 der 30 Mäuse wieder ihre Beine bewegen und laufen. Ihr Gangmuster ähnelte dabei dem Laufmuster von Mäusen, die sich nach einer teilweisen Rückenmarksverletzung auf natürliche Weise erholten und wieder laufen lernten.
Kombination mit elektrischer Stimulation geplant
Die Forschenden wollen ihre neue Therapiemethode künftig mit der elektrischen Stimulation des Rückenmarks kombinieren. Sie gehen davon aus, dass die verschiedenen Verfahren synergetisch zusammenwirken. Bevor diese Therapie - oder die Kombination der Behandlungen - bei Menschen mit Rückenmarksverletzungen angewandt werden kann, müssen jedoch noch weitere Studien an kleinen und größeren Tieren deren Wirkweise bestätigen.
Heilung gelähmter Ratten durch Stimulation und Training
Schweizer Forschern ist bei Ratten ein Durchbruch in der Therapie schwerer Rückenmarksverletzungen gelungen. Durch gezielte Stimulation des Rückenmarks und Laufübungen lernten querschnittsgelähmte Ratten wieder laufen.
Neue Nervenverbindungen durch Therapie
Die Therapie führte dazu, dass neue Nervenverbindungen im Rückenmark wuchsen und die Bewegungsfähigkeit der Hinterbeine vollständig wieder hergestellt wurde. Dies zeigt, dass das Rückenmark regenerationsfähiger ist als bisher angenommen.
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Erste Bewegungen nach sieben Tagen
Die Forscher durchtrennten bei zehn Ratten die Hauptleitungsbahnen des Rückenmarks bis auf einen kleinen Teil des Nervengewebes. Sie injizierten chemische Botenstoffe in die untere Rückenmarksregion der Ratten und reizten den Bereich mit leichten Stromstößen. Schon nach sieben Tagen dieser Behandlung führten die Ratten auf einem Laufband erste unwillkürliche Schrittbewegungen mit ihren Hinterbeinen aus.
Lauftraining als entscheidender Faktor
Die Wissenschaftler kombinierten die elektrochemische Stimulation des Rückenmarks mit einem speziellen Lauftraining. Nach zwei bis drei Wochen Training machten die Ratten die ersten selbstständigen Schritte.
Reaktivierung des Regenerationspotenzials
Die Kombinationsmethode reaktivierte das normalerweise nur im Kindesalter stark ausgeprägte Regenerationspotenzial des Rückenmarks und befähigte die Ratten wieder zum Laufen.
Hemmung von Entzündungsreaktionen durch Wirkstoff
Ein Wirkstoff mit dem Kürzel AZD1236 erzielte in Tierstudien beeindruckende Ergebnisse bei Rückenmarksverletzungen. Indem er Entzündungsreaktionen im Rückenmark hemmte, verhinderte er einen großen Teil der Nervenschäden.
Deutliche Verbesserung der Nervenfunktion
Die Entzündungsreaktionen ließen sich in Tierversuchen durch AZD1236 erheblich reduzieren. Das förderte die Regeneration deutlich: Die Funktion der Nerven war um 80 Prozent besser als bei unbehandelten Tieren. Das zeigte sich auch in den Bewegungen und Gefühlswahrnehmungen der Tiere, die um 85 Prozent besser als bei den Vergleichstieren waren.
Schnelle Erholung nach Behandlung
Diese beeindruckenden Effekte wurden nach nur drei Tagen Behandlung mit AZD1236 beobachtet, wenn innerhalb von 24 Stunden nach der Verletzung damit begonnen wurde. Nach drei Wochen hatten sich die mit AZD1236 behandelten Tiere weitgehend erholt, während die unbehandelten Tiere sechs Wochen nach der Verletzung immer noch erhebliche Beschwerden hatten.
Regeneration bei Zebrafischen: Schlüssel zur Heilung?
Das Rückenmark von Zebrafischen regeneriert sich nach Verletzungen wieder, was sie zu einem interessanten Modell für die Forschung macht.
Gliazellen bilden eine Brücke
Wenn das Rückenmark von Zebrafischen verletzt wird, bilden die sogenannten Gliazellen zunächst eine Brücke zwischen den Enden des durchtrennten Rückenmarks. Anschließend sprießen Nervenzellen ein - die Unterbrechung wird dadurch geschlossen. Nach etwa acht Wochen hat sich das Rückenmark der Fische auf diese Weise regeneriert und die Lähmungserscheinungen sind verschwunden.
Identifizierung von Wachstumsfaktoren
Unter Dutzenden von Genen, die bei den Verletzungen stark aktiviert wurden, identifizierten die Forscher sieben, die für die Produktion von Eiweißmolekülen zuständig sind, die von Zellen abgesondert werden. Eines dieser Proteine, der Wachstumsfaktor CTGF, erweckte ihr besonderes Interesse, weil er in den Gliazellen gebildet wurde, welche die Brücke in den ersten zwei Wochen nach der Rückenmarks-Verletzung aufbauen.
Menschliches CTGF wirkt bei Zebrafischen
Interessanterweise gibt es CTGF nicht nur bei den Fischen: Der Mensch besitzt ein analoges Protein, dessen Struktur sich nur um zehn Prozent von der des Fisch-CTGF unterscheidet. Als die Forscher nun den Zebrafischen ohne eigenes CTGF die menschliche Form nach der künstlichen Rückenmarksverletzung verpassten, geschah etwas Spannendes: Es wirkte und ermöglichte eine Regeneration des Rückenmarks im Rahmen von zwei Wochen.
Rolle von Narbengewebe bei Säugetieren und Zebrafischen
Im Säugetier, so auch beim Menschen, bildet sich nach Verletzungen des Rückenmarks im Rahmen des Heilungsprozesses Narbengewebe. Bei Säugetieren hat dies jedoch einen gravierenden Nachteil: Das Narbengewebe kann nicht von nachwachsenden Nerven durchzogen werden. In Folge dessen können durchtrennte Nerven nicht regenerieren.
Unterschiede in der Gewebemechanik
Die Forschungsgruppe um Daniel Wehner hat gezeigt, dass es Unterschiede zwischen der biochemischen Zusammensetzung und der Gewebemechanik des Narbengewebes im Säugetier und des Wundgewebes im Zebrafisch geben muss. So ist im Zebrafisch Wundgewebe im Rückenmark steifer als gesundes Gewebe, im Säugetier hingegen ist beim Narbengewebe das Gegenteil der Fall. Außerdem fanden die Wissenschaftler heraus, dass im Zebrafisch Nervenfasern nicht nur durch das Wundgewebe hindurchwachsen können, sondern ihr Wachstum durch dieses sogar gefördert wird.
Identifizierung von SLRPs als Hemmfaktoren
In einer interdisziplinären Zusammenarbeit konnten die Wissenschaftler Proteine, die zur Familie der kleinen leucinreichen Proteoglykane (SLRPs) gehören, identifizieren, die in großen Mengen im Narbengewebe von Ratten, Mäusen und Menschen vorkommen. Das Hinzufügen von SLRP-Proteinen zum Wundgewebe von Zebrafischen reduzierte deren Regenerationsfähigkeit signifikant.
Regeneration des Rückenmarks bei Salamandern
Salamander haben eine einzigartige Fähigkeit zur Regeneration des Rückenmarks. Sie können die Nerven in ihrem Rückenmark regenerieren und ihre volle Funktionsfähigkeit wiedererlangen.
Kombination verschiedener Forschungsbereiche
Die Wissenschaftler wollen Methoden aus der Genomik, Neurowissenschaft, Computermodellierung und Biorobotik kombinieren, um die neuronalen Mechanismen zu entschlüsseln, die der Regeneration des Rückenmarks zugrunde liegen.
Vereinfachte Struktur des Nervensystems
Das Nervensystem eines Salamanders hat die gleichen funktionellen Elemente wie das eines Säugetiers, aber in einer relativ vereinfachten Struktur.
Rolle des peripheren Nervensystems
Die Forschung zielt auch darauf ab, besser zu verstehen, wie das zentrale und das periphere Nervensystem während der Fortbewegung interagieren.
Biorobotik zur Modellierung und Erforschung
Die Wissenschaftler werden Computermodelle der neuronalen Netze entwickeln und Biorobotik-Know-how bereitstellen, so dass die Modelle nicht nur durch Simulationen, sondern auch an einer verbesserten Version des Roboters Salamander dem Pleurobot, getestet werden können.
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