Einführung
Schwann-Zellen sind spezialisierte Gliazellen des peripheren Nervensystems (PNS), die eine entscheidende Rolle für die Funktion und Regeneration von Nervenfasern spielen. Sie umhüllen Axone, isolieren sie elektrisch und versorgen sie mit Nährstoffen. Im Folgenden werden die Definition, der Aufbau, die Funktionen und die Bedeutung der Schwann-Zellen detailliert erläutert.
Schwann-Zellen - Definition
Schwann-Zellen sind eine Art von Gliazellen, die im peripheren Nervensystem (PNS) vorkommen. Gliazellen sind, wie Neuronen, Zellen des Nervensystems, übernehmen aber im Gegensatz zu Neuronen keine direkte Rolle bei der Erregungsweiterleitung. Stattdessen unterstützen sie die Neuronen in verschiedenen Funktionen. Das PNS umfasst sämtliche Nervenzellen, die außerhalb des zentralen Nervensystems (ZNS), also außerhalb von Gehirn und Rückenmark, liegen.
Im ZNS übernehmen Oligodendrozyten die Aufgaben der Schwann-Zellen, während Astrozyten die Zellen der Blut-Hirn-Schranke bilden. Astrozyten, Oligodendrozyten und Schwann-Zellen gehören alle zur Makroglia.
| Funktion | Astrozyten | Oligodendrozyten |
|---|---|---|
| Ernährung von Neuronen | Ja | Nein |
| Flüssigkeitsregulation | Ja | Nein |
| Regulation des Kalium-Haushaltes | Ja | Nein |
| Transport von Abfallstoffen | Ja | Nein |
| Elektrische Isolation von Axonen | Nein | Ja |
| Energieversorgung der Axone |
Schwann-Zellen - Aufbau
Schwann-Zellen sind in Wirbeltieren stets in Verbindung mit Neuronen zu finden. Sie sind in regelmäßigen Abständen an den Axonen von Neuronen lokalisiert und produzieren Myelin, eine Substanz, die sich wie Papierlagen um das Axon und die Schwann-Zelle wickelt. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Schwann-Zellen werden als Ranviersche Schnürringe bezeichnet. Schwann-Zellen befinden sich also immer im Verbund mit einem Axon zwischen dem Zellkörper (Soma) und den synaptischen Enden eines Neurons.
Ein Querschnitt durch ein Axon mit seiner Schwann-Zell-Ummantelung zeigt die Mantelstruktur der Schwann-Zellen. Diese Struktur besteht aus einer Plasmamembran, die von den Schwann-Zellen produziert wird und hauptsächlich aus Myelin besteht. Myelin ist ein lipidreiches Material, das den ummantelten Axonen eine weißliche Farbe verleiht. Die eigentliche Schwann-Zelle hat ihren Ursprung in der innersten Schicht der Myelinhülle und enthält Mitochondrien. Bei der Myelinproduktion wickelt sich dieses als Teil der Mantelstruktur von innen nach außen um die Schwann-Zelle und das Axon. Die Umwicklung eines Axons mit Myelin wird als Myelinscheide oder Markscheide bezeichnet.
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Schwann-Zellen - Funktion
Schwann-Zellen dienen der Ernährung, Stützung und elektrischen Isolierung von Axonen. Die elektrische Isolierung ist für die Reizweiterleitung in Wirbeltieren von besonderer Bedeutung. Organismen empfangen ständig Reize und Signale aus der Umwelt und dem eigenen Körper über Sinneszellen (Rezeptoren), die im (zentralen) Nervensystem verarbeitet werden müssen. Die Weiterleitung dieser Reize und Signale erfolgt über Aktionspotentiale innerhalb von Neuronen.
Saltatorische Erregungsleitung
Durch die elektrische Isolation der Myelinscheiden, die von den Schwann-Zellen gebildet werden, sind spannungsgesteuerte Ionenkanäle nur an den Ranvierschen Schnürringen vorhanden. Ein Aktionspotential "springt" also von Schnürring zu Schnürring und wird dadurch schneller durch den Organismus geleitet. Diese "springende" Form der Erregungsweiterleitung wird als saltatorische Erregungsleitung bezeichnet. Die Geschwindigkeit eines Aktionspotentials in einem Axon mit Schwann-Zellen und Myelinscheide beträgt etwa 100 m/s oder 360 km/h, was deutlich schneller ist als die Weiterleitung in Axonen ohne Schwann-Zellen und Myelinscheiden. Dies liegt an der geringeren Anzahl von spannungsgesteuerten Ionenkanälen, die pro Strecke für die Weiterleitung des Aktionspotentials geöffnet und geschlossen werden müssen. Schwann-Zellen ermöglichen durch die Ausbildung der Myelinscheiden eine schnellere Signalweiterleitung in den Axonen von Wirbeltieren.
Vorteile und Nachteile der saltatorischen Erregungsleitung
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| Durch die erhöhte Weiterleitungsgeschwindigkeit sind bei gleichen Durchmessern von Axonen schnellere Reaktionen möglich. | Schwann-Zellen und Myelinscheiden nehmen Platz ein, was besonders im Gehirn mit seinen ca. 100 Milliarden Neuronen und deren Axonen problematisch ist. |
| Axone mit einem geringeren Durchmesser können die gleiche Leistungsgeschwindigkeit erreichen, wodurch Material und Raum gespart wird. |
Axonale Regeneration
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Schwann-Zellen ist ihre Fähigkeit zur axonalen Regeneration. Sie ermöglichen es, beschädigte Axone bzw. Nervenfasern wieder zusammenwachsen zu lassen und haben somit einen regenerativen Effekt auf das Nervensystem. Oligodendrozyten, die im zentralen Nervensystem die gleichen Funktionen wie Schwann-Zellen im peripheren Nervensystem erfüllen, können zerstörte Nervenfasern nur stark eingeschränkt oder gar nicht regenerieren. Daher sind Schädigungen im zentralen Nervensystem (Gehirn und Rückenmark) besonders schwerwiegend für den Organismus.
Nach einer Verletzung des peripheren Nervensystems, beispielsweise infolge eines Unterarmbruchs, können sich geschädigte Nervenzellen regenerieren. Dabei spielen die Axone der Nervenzellen, die Reize oder Signale an andere Zellen übermitteln, eine wichtige Rolle. Werden im peripheren Nervensystem Axone verletzt, lösen die Schwann-Zellen schnell den Abbau des abgeschnittenen Axonendes in kleine Fragmente aus, die anschließend von Schwann-Zellen selbst oder später von Makrophagen verdaut werden können. Diese Beseitigung von Axon-Trümmern ist ein wichtiger Schritt des Reparaturprozesses. Schwann-Zellen verdauen nicht nur Myelin, sondern zerkleinern auch das lange Stück Axon, das von seinem Zellkörper getrennt wurde. Dazu bilden sie kleine Sphären des Proteins Aktin, die Druck auf den abgeschnittenen Axon-Arm ausüben und ihn dadurch weiter zerkleinern. Oligodendrozyten können dies normalerweise nicht. Interessanterweise sendet das abgetrennte Axon ein Signal an die Schwann-Zellen, um diesen Prozess zu starten.
Schwann-Zellen und Mechanische Reizwahrnehmung
Schwann-Zellen bilden normalerweise eine isolierende Schicht um Nervenfasern. Bestimmte Arten von Schwann-Zellen sind jedoch stärker als bisher angenommen an der Wahrnehmung mechanischer Reize beteiligt. Dies wurde in einer Studie eines internationalen Teams um Julia Ojeda-Alonso vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin festgestellt. Die Wissenschaftler nutzten optogenetische Methoden, um diese speziellen Zellen zu untersuchen, die unter der Oberhaut eine Art Netz bilden. Mit dieser Technologie lassen sich Vorgänge in ausgewählten Zellen über Lichtreize gezielt an- und ausschalten.
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Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass Schwann-Zellen wichtig für die Übermittlung mechanischer Reize sind und mitbestimmen, wie stark ein Reiz sein muss, damit er ins Bewusstsein dringt. Bei direkten Tests an Zellen aus dem Hautgewebe von Mäusen zeigte sich, dass Schmerzrezeptoren ohne die Hilfe von Schwann-Zellen Reize nur etwa halb so stark übertragen. Das Verständnis dieses Mechanismus könnte für die Behandlung von Menschen mit chronischen Schmerzen und Empfindungsstörungen von Bedeutung sein.
Schwann-Zell-Remyelinisierung
Die Remyelinisierung, also die Wiederherstellung der Myelinscheide um Axone, ist ein wichtiger Prozess bei der Reparatur von Nervenschäden. Im peripheren Nervensystem spielen Schwann-Zellen eine entscheidende Rolle bei der Remyelinisierung. Nach einer Schädigung können Schwann-Zellen Axone neu umhüllen und so die Nervenfunktion wiederherstellen.
Studien haben gezeigt, dass die Remyelinisierung durch Schwann-Zellen im ZNS möglich ist, aber oft unvollständig bleibt. Verschiedene Faktoren können die Schwann-Zell-Remyelinisierung beeinflussen, darunter Entzündungen und die Aktivität von Mikroglia/Makrophagen.
Einfluss von Entzündungen und Immunzellen
Entzündliche Prozesse können einen negativen Einfluss auf die Schwann-Zell-Remyelinisierung haben. Mikroglia und Makrophagen spielen eine wichtige Rolle bei der Phagozytose von Zelltrümmern und Myelinresten, was den Weg für die Remyelinisierung ebnet. Allerdings können diese Immunzellen auch Entzündungen verstärken und die Remyelinisierung behindern.
Tiermodelle zur Untersuchung der Remyelinisierung
Zur Untersuchung der Remyelinisierung werden verschiedene Tiermodelle verwendet, darunter das murine Cuprizon- und das murine Ethidiumbromid-Modell. In einigen Modellen wird eine spontan auftretende Remyelinisierung beobachtet, die jedoch oft unvollständig ist. Die Ergebnisse können je nach Modell variieren, was auf verschiedene Faktoren zurückzuführen sein kann.
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CMTM6 und das Wachstum myelinisierter Axone
Ein weiteres interessantes Protein im Zusammenhang mit Schwann-Zellen ist CMTM6 (chemokine-like factor-like MARVEL-transmembrane domain-containing protein 6). Studien deuten darauf hin, dass CMTM6 das radiale Wachstum myelinisierter Axone im PNS begrenzen könnte, während es für die Entwicklung des Myelins nicht essentiell ist.
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