Leibniz-Preis 2016: Nervenzellen mit „Bleifuß“

Den Nervenzellen des Rückenmarks fehlt die Fähigkeit zur Selbstheilung. Werden sie beschädigt, kommt es in der Regel zur dauerhaften Lähmung oder anderen Ausfällen. Am DZNE in Bonn forscht Frank Bradke daher nach Möglichkeiten, die Bremse zu lösen, die die Regeneration von Zellen des zentralen Nervensystems für gewöhnlich verhindert. Der Neurobiologe hofft, dass diese Studien der Behandlung von Querschnittsverletzungen langfristig neue Wege bereiten. Bradke erhielt für seine richtungsweisenden Arbeiten im März 2016 den mit 2,5 Millionen Euro dotierten Leibniz-Preis.

Nervenbahnen schlängeln sich durch den menschlichen Körper ähnlich der Verkabelung eines Computernetzwerkes. Steuersignale gelangen so vom Gehirn bis in die Zehenspitzen – und Sinneseindrücke strömen in Gegenrichtung zurück. Auch Darm, Herz und weitere Organe sind an dieses Nervengeflecht angeschlossen. Es sorgt dafür, dass wir uns bewegen, unsere Umwelt wahrnehmen können und regelt - oft unbewusst - nahezu jede Funktion des menschlichen Körpers. Wie bei einer Stafette von Relaisstationen werden dazu elektrische Impulse von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergegeben. Wird diese Nervenleitung beschädigt, kann das drastische Folgen haben. Das Gehirn und beispielsweise die Muskeln mögen intakt sein – doch ist die Verbindung zwischen ihnen gestört, dann lassen sich die betroffenen Muskeln nicht mehr gezielt steuern, eventuell bleiben sie sogar gelähmt.

Eine Frage der Position

Dieser Blick ins Rückenmark zeigt einzelne Nervenleitungen (Axone). Video startet nach Anklicken. Veröffentlicht in Nature Medicine (2011). doi:10.1038/nm.2600
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Ob sich verletzte Nervenzellen erholen, hängt allerdings wesentlich von ihrer Lage ab. In Gliedmaßen und Rumpf verfügen sie über das Talent zur Selbstheilung. Zwar werden lädierte Nervenzellen nicht etwa durch neue ersetzt. Aber sie können aussprießen und so neue Verknüpfungen mit anderen Nervenzellen eingehen. Deshalb kann selbst eine abgetrennte und wieder angenähte Hand ein gewisses Maß an Empfindsamkeit und Beweglichkeit zurückerlangen. Doch den Zellen des zentralen Nervensystems – Gehirn und Rückenmark – fehlt diese Fähigkeit zur Regeneration. Warum? Und was lässt Nervenzellen wachsen und wie könnte man ihre Wiederherstellung unterstützen?

Lange Leitungen

 

Seit rund 25 Jahren befasst sich Frank Bradke mit diesen Fragen. Sein besonderes Interesse gilt den „Axonen“: Jenen Fortsätzen, über die Nervenzellen miteinander Kontakt halten. Im engen Raum des Gehirns müssen sie nur relativ kurze Strecken überbrücken. Anders im Rückenmark: Hier sind manche Axone mehr als ein Meter lang. Werden diese Leitungen beschädigt oder gar durchtrennt, ist die zelluläre Kommunikation gestört.

Bradke und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass für das Wachstum der Axone die sogenannten Mikrotubuli eine treibende Rolle spielen. Diese röhrenförmigen Proteinfilamente sind Bestandteil des zellulären Skeletts, das den Axonen Form und Stabilität verleiht. Zugleich dienen sie als Transportbahnen für Botenstoffe und andere Substanzen.

AG Bradke. Quelle: DZNE/Daniel Bayer

Induzierter Wachstumsschub


In Laborstudien gelang den Forschern der Nachweis, dass bestimmte Krebsmedikamente die Mikrotubuli zum Wachsen stimulieren. Dadurch treiben auch die Axone wieder aus. Überdies stellten sie fest, dass diese Pharmaka die Vernarbung des umliegenden Gewebes verringern, was die Regeneration der Nervenzelle zusätzlich befördert. Eine dementsprechende Behandlung von Ratten mit Rückenmarksverletzungen verbesserte deutlich die Bewegungsfähigkeit der Tiere.

„Unser Ansatz läuft daraus hinaus, die Nervenzelle in einen übermütigen Autofahrer zu verwandeln, der sämtliche Stoppzeichen überfährt“, beschreibt Bradke die Forschungsstrategie seiner Arbeitsgruppe. „Diese Stoppzeichen sind beispielsweise Botenstoffe, die vom Narbengewebe ausgeschüttet werden, das die Nervenzelle umgibt. Auch in der Zelle selbst gibt es Mechanismen, die das Wachstum verhindern. Alle diese Stoppzeichen auszuhebeln, ist schwierig. Deshalb möchten wir verstehen, was das Wachstum der Axone antreibt. Diesen Motor möchten wir sozusagen tunen und die Wachstumsbremse lösen.“

Langer Weg zur Therapie

 

Bis Patienten von diesem Forschungsansatz profitieren, dürften jedoch noch Jahre vergehen. „Nach und nach verstehen wir immer besser, welche Mechanismen für die Regeneration der Nervenzellen entscheidend sind. Eine ideale Behandlungvon Rückenmarksverletzung sollte die Mikrotubuli zum Wachstum anregen und die Vernarbung verringern. Unser Bild von diesen Vorgängen ist aber noch lange nicht vollständig. Deshalb sind klinische Test oder gar eine Therapie noch nicht in greifbarer Reichweite. Bis dahin wird es sicher noch ein weiter Weg“, so Bradke.

Bildgalerie

 


Zur Person: Frank Bradke (Jahrgang 1969) studierte Biochemie an der Freien Universität Berlin und dem University College London. Während seiner Dissertation forschte er am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) in Heidelberg. Danach arbeitete er als Postdoc an der University of California in San Francisco und der University of Stanford. Von 2003 bis 2011 leitete er eine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Neurobiologie in Martinsried. Im Jahre 2009 habilitierte er an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Seit 2011 ist Bradke ordentlicher Professor an der Universität Bonn und Senior-Gruppenleiter der Arbeitsgruppe „Axonales Wachstum und Regeneration“ am DZNE-Standort Bonn. Er ist gewähltes Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina und der Europäischen Organisation für Molekularbiologie (EMBO).

Glossar

Querschnittslähmung: In Deutschland kommt es jährlich zu etwa 1.500 neuen Fällen von Querschnittslähmung, weltweit sind es mehrere hunderttausend [1]. Die Ursachen sind zumeist Unfälle (Verkehr, Sport u. a.) oder Erkrankungen (Krebs, Multiple Sklerose u. a.). Dabei werden Nervenleitungen des Rückenmarks geschädigt oder gar durchtrennt. Mögliche Folgen sind Lähmungen der Gliedmaßen, der Ausfall von Sinnesempfindungen (z. B. Tastgefühl) und Funktionsstörungen von Darm und Blase.

Das zentrale Nervensystem umfasst Gehirn und Rückenmark, das periphere (äußere) Nervensystem unter anderem die Nerven des Rumpfes und der Gliedmaßen. Die Zellen des peripheren Systems können nach Verletzungen wieder auswachsen (regenerieren), die Zellen des zentralen Systems hingegen nicht.

Zellskelett: Gerüst aus Proteinen, das der Zelle Gestalt und Stabilität verleiht. Wird auch "Zytoskelett" genannt.

Mikrotubuli: Röhrenförmige Proteinfilamente. Sie sind Bestandteile des Zellskeletts und wichtig für das Wachstum des Axons.

Axon: Länglicher Fortsatz, über den eine Nervenzelle elektrische Impulse an eine andere Nervenzelle übermittelt.

Narbengewebe: bildet sich nach größeren Schädigungen aus – nicht nur der Haut, sondern zum Beispiel auch des Rückenmarks. Es ist einfacher aufgebaut, als das ursprüngliche Gewebe.

[1] Spinal cord injury, WHO, Fact sheet N°384 (2013), The global map for traumatic spinal cord injury epidemiology: update 2011, global incidence rate, Spinal Cord (2014), Rehabilitation und Teilhabe: Wegweiser für Ärzte und andere Fachkräfte der Rehabilitation. Herausgegeben von der Bundesarbeitsgemeinschaft für Rehabilitation, 3. Auflage (2005), Querschnittlähmungen: Wenn der Sprung ins Wasser im Rollstuhl endet, Deutsche Gesellschaft für Orthopädie und Unfallchirurgie, Pressemitteilung (2014)

Medien-Echo

Leibniz-Preise für Peter Scholze und Frank BradkeGeneral-Anzeiger, 10. Dezember 2015

Leibniz-Preis für Forschung zu NervenzellenDeutsche Welle, 11. Dezember 2015

Leibniz-Preise für DAAD-Alumni: Professor Frank Bradke im PorträtDAAD, 12. Februar 2016

Für Frank Bradke ist Forschung wie ein FußballspielDie Welt, 29. Februar 2016

Verleihung des Leibniz-Preises, ZDF / heute journal,1. März, 2016 

Was Nerven wachsen lässtHelmholtz, 1. März, 2016

Leibniz-Preis für Frank Bradke3Sat / nano, 1. März, 2016

Der TeamplayerGeneral-Anzeiger, 9. März 2016

Frank Bradke: Lange LeitungenDeutsches Ärzteblatt, 8. April 2016

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