Erkenntnisse könnten helfen, Wege zur Heilung von Rückenmarksschäden zu finden

Zebrafische gehören zu einer besonderen Gruppe von Wirbeltieren, die ein durchtrenntes Rückenmark vollständig heilen können. Ein klares Verständnis davon, wie diese Regeneration abläuft, könnte Hinweise auf Strategien zur Heilung von Rückenmarksverletzungen bei Menschen liefern. Solche Verletzungen können verheerend sein und zu einem dauerhaften Verlust von Empfindung und Bewegung führen.

Eine neue Studie der Washington University School of Medicine in St. Louis erstellt einen detaillierten Atlas aller an der Regeneration des Rückenmarks von Zebrafischen beteiligten Zellen und ihrer Zusammenarbeit.

In einem unerwarteten Ergebnis zeigten die Forscher, dass das Überleben und die Anpassungsfähigkeit der abgetrennten Neuronen selbst für eine vollständige Regeneration des Rückenmarks erforderlich sind. Überraschenderweise zeigte die Studie, dass Stammzellen, die neue Neuronen bilden können – und normalerweise als zentral für die Regeneration angesehen werden – eine ergänzende Rolle spielen, den Prozess jedoch nicht leiten.

Die Studie wurde am 15. August in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Anders als bei Rückenmarksverletzungen bei Menschen und anderen Säugetieren, bei denen beschädigte Neuronen immer absterben, verändern die beschädigten Neuronen des Zebrafisches ihre Zellfunktionen als Reaktion auf die Verletzung dramatisch, zunächst um zu überleben und dann, um neue und zentrale Rollen bei der Orchestrierung der genauen Ereignisse zu übernehmen, die die Heilung steuern, fanden die Forscher heraus. Wissenschaftler wussten, dass Zebrafischneuronen Rückenmarksverletzungen überleben, und diese neue Studie zeigt, wie sie das schaffen.

„Wir haben festgestellt, dass die meisten, wenn nicht alle Aspekte der neuronalen Reparatur, die wir bei Menschen erreichen wollen, bei Zebrafischen auf natürliche Weise vorkommen“, sagte die leitende Autorin Mayssa Mokalled, Ph.D., außerordentliche Professorin für Entwicklungsbiologie.

„Unsere überraschende Beobachtung ist, dass unmittelbar nach einer Verletzung starke neuronale Schutz- und Reparaturmechanismen auftreten. Wir glauben, dass diese Schutzmechanismen es den Neuronen ermöglichen, die Verletzung zu überleben und dann eine Art spontane Plastizität – oder Flexibilität in ihren Funktionen – anzunehmen, die dem Fisch Zeit gibt, neue Neuronen zu regenerieren, um eine vollständige Genesung zu erreichen.

„Unsere Studie hat genetische Ziele identifiziert, die uns helfen werden, diese Art der Plastizität in den Zellen von Menschen und anderen Säugetieren zu fördern.“

Durch die Kartierung der sich entwickelnden Rollen verschiedener an der Regeneration beteiligter Zelltypen stellten Mokalled und ihre Kollegen fest, dass die Flexibilität der überlebenden verletzten Neuronen und ihre Fähigkeit zur sofortigen Neuprogrammierung nach der Verletzung die Ereigniskette anführen, die für die Regeneration des Rückenmarks erforderlich ist.

Werden diese Neuronen, die eine Verletzung überleben, außer Gefecht gesetzt, erlangen Zebrafische ihre normale Schwimmfähigkeit nicht zurück, auch wenn regenerative Stammzellen weiterhin vorhanden sind.

Wenn bei Menschen und anderen Säugetieren die langen Leitungen des Rückenmarks gequetscht oder durchtrennt werden, löst dies eine Kette toxischer Ereignisse aus, die die Neuronen abtöten und die Umgebung des Rückenmarks für Reparaturmechanismen unzugänglich machen.

Diese neuronale Toxizität könnte eine Erklärung für das Scheitern von Versuchen liefern, Stammzellen zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen bei Menschen einzusetzen. Anstatt sich auf die Regeneration mit Stammzellen zu konzentrieren, legt die neue Studie nahe, dass jede erfolgreiche Methode zur Heilung von Rückenmarksverletzungen bei Menschen damit beginnen muss, die verletzten Neuronen vor dem Absterben zu bewahren.

„Neuronen allein, ohne Verbindungen zu anderen Zellen, überleben nicht“, sagte Mokalled.

„Wir glauben, dass abgetrennte Neuronen bei Zebrafischen die Belastung durch Verletzungen überwinden können, da sie aufgrund ihrer Flexibilität unmittelbar nach der Verletzung neue lokale Verbindungen herstellen können. Unsere Forschung legt nahe, dass es sich dabei um einen vorübergehenden Mechanismus handelt, der Zeit gewinnt, Neuronen vor dem Absterben schützt und es dem System ermöglicht, neuronale Schaltkreise zu erhalten, während das Hauptrückenmark aufgebaut und regeneriert wird.“

Es gibt einige Hinweise darauf, dass diese Fähigkeit in den Nervenzellen von Säugetieren zwar vorhanden, aber inaktiv ist. Laut den Forschern könnte dies also ein Weg zu neuen Therapien sein.

„Wir hoffen, dass die Identifizierung der Gene, die diesen Schutzprozess im Zebrafisch orchestrieren – Versionen davon sind auch im menschlichen Genom vorhanden – uns dabei helfen wird, Wege zu finden, um Neuronen in Menschen vor den Wellen des Zelltods zu schützen, die wir nach Rückenmarksverletzungen beobachten“, sagte sie.

Während sich diese Studie auf Neuronen konzentriert, sagte Mokalled, dass die Regeneration des Rückenmarks äußerst komplex sei. In zukünftigen Arbeiten werde sich ihr Team mit einem neuen Zellatlas befassen, um den Beitrag anderer Zelltypen zur Regeneration des Rückenmarks zu verstehen. Dazu gehören nicht-neuronale Zellen, sogenannte Gliazellen, im zentralen Nervensystem sowie Zellen des Immunsystems und der Blutgefäße.

Darüber hinaus führen sie derzeit Studien durch, in denen die Ergebnisse bei Zebrafischen mit den Vorgängen in Säugetierzellen, einschließlich Nervengewebe von Mäusen und Menschen, verglichen werden.