Innovativer Ansatz bei Alzheimer

Forscher entwickeln neuartiges optisches Verfahren

Funktionsstörungen in Mitochondrien scheinen eine wichtige Rolle bei der Ausbildung von Alzheimer zu spielen. Forscher haben es nun geschafft, die komplexen Abläufe des mitochondrialen Stoffwechsels intrazellulär darzustellen.

Nervenzelle

Nervenzelle, dargestellt mithilfe der 2-Photonenmikroskopie | © Forschergruppe der Core Facility, Uniklinik Ulm

Schätzungsweise 1,2 Millionen Menschen in Deutschland leiden derzeit an Alzheimer, Tendenz steigend. Für 2050 rechnen Experten mit drei Millionen Erkrankten. Dass Funktionsstörungen in den Mitochondrien der Zellen eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung der Krankheit spielen, scheint festzustehen. Bislang war es nicht möglich, die komplexen Abläufe des mitochondrialen Stoffwechsels auf intrazellulärer Ebene darzustellen. Dr. Angelika Rück, Prof. Dr. Christine A.F. von Arnim und Dr. Björn der Universität Ulm ist es nun gelungen, ein Verfahren zur optischen Darstellung der Prozesse in den Zellen zu entwickeln.

Visuelle Abbildung des Stoffwechsels

Bislang war es nicht möglich, die eigentliche Stoffwechselaktivität der Zellen sichtbar zu machen. Nur über den Sauerstoffverbrauch der Zellen konnte der Zellstoffwechsel gemessen werden. In einem gesunden Gehirn befinden sich 100 Milliarden Nervenzellen und in jeder einzelnen davon arbeiten ca. 1.000 Mitochondrien. Mit dem neuartigen Verfahren ist es nun möglich, die Zellaktivitäten der Mitochondrien visuell abzubilden. „Vereinfacht gesagt messen wir die Dauer der Lichtemissionen der einfachsten Moleküle des mitochondrialen Stoffwechsels. Dazu verwenden wir einen Laser, der die Moleküle anregt und wir messen die Dauer der Fluoreszenz und die Abklingzeit in Nanosekunden. Gleichzeitig ermitteln wir die Sauerstoffkonzentration mittels eines Phosphoreszenzmarkers", erklärt Rück.

Eukaryotische Zelle und zwei Prokaryoten

Woher stammen die Mitochondrien, die „Kraftwerke“ unserer Zellen? Es waren ursprünglich Wasserstoff-erzeugende Bakterien, die von anderen Urzellen eingeschlossen wurden. Die Urzellen benötigten Wasserstoff für ihren eigenen Stoffwechsel.

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Dabei wurden die beiden Methoden der Fluroeszenz- und der Phosphoreszenzmessung zu einem innovativen optischen Verfahren von den Forschern kombiniert. „Mit dem von uns entwickelten optischen Verfahren sind wir erstmals in der Lage, wesentliche Stoffwechselprozesse in Mitochondrien lebender Zellen darzustellen. So können wir auch metabolische Veränderungen bei Krankheiten wie Alzheimer verstehen", ergänzt von Arnim.

Diagnostik und Medikamentenentwicklung

Das Verfahren wurde im Rahmen eines Projektes der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) im Auftrag der Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V. (F.O.M.) entwickelt. Im Dezember 2016 war das Vorhaben unter den drei Finalisten bei der Wahl zum Otto von Guericke-Preis der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF). Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass das Verfahren über die Diagnostik hinaus zukünftig auch für die Medikamentenentwicklung von Bedeutung sein wird. Nicht nur bei Alzheimer spielt der Stoffwechsel der Mitochondrien eine entscheidende Rolle, auch für die Entstehung von Tumor- und Autoimmunerkrankungen sollen sie verantwortlich sein.

Auch in der Industrie ist man von dem Mehrwert der Erkenntnisse überzeugt. Mit dieser Methode ist es in Zukunft möglich, erfolgsversprechende Diagnostik und Therapieansätze zur Bekämpfung sogenannter Volkskrankheiten zu realisieren. „Die Ergebnisse dieses interdisziplinären IGF-Projektes versprechen bedeutende Fortschritte in der Ursachenforschung von Krankheiten wie Alzheimer oder Diabetes. Zudem ermöglichen sie kleinen und mittelständischen Unternehmen unterschiedlicher Branchen die Entwicklung wirksamer Therapieansätze", hält Dr. Markus Safaricz, Geschäftsführer der F.O.M., die das IGF-Projekt auf den Weg gebracht und koordiniert hat, fest. (idw, red)