Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Uniklinikums Erlangen ist es gelungen, Gehirngewebe durch extreme Tiefkühlung zu konservieren. Nach dem Auftauen begannen die Neurone wieder, elektrische Signale auszutauschen. Das Verfahren könnte beispielsweise genutzt werden, um Hirngewebe haltbar zu machen, das bei Operationen entnommen wurde, um es dann später zu untersuchen. Damit könnte es auch die Entwicklung von Medikamenten erleichtern. Die Ergebnisse erscheinen in der Fachzeitschrift PNAS.
Der sibirische Salamander ist ein außergewöhnliches Tier: Vereinzelten Berichten zufolge kann er bei Temperaturen von 50 Grad unter dem Gefrierpunkt in einer Art Winterstarre überleben und mehrere Jahrzehnte im Permafrost überdauern. Sobald die Außentemperatur steigt, erwacht der Schwanzlurch wieder zu ganz normaler Aktivität.
Diese Fähigkeit verdankt er seiner Leber: Sie kann den Alkohol Glyzerin produzieren, der im Körper des Tieres als eine Art Frostschutzmittel fungiert. Das senkt den Gefrierpunkt und hilft, Zellen und Gewebe während des Einfrierens und Auftauens vor Schäden zu schützen. „Die Bildung von Eiskristallen ist der Grund, warum extreme Kälte normalerweise so schädlich für Lebewesen ist“, erklärt Dr. Alexander German von der Molekular-Neurologischen Abteilung (Leiter: Prof. Dr. Jürgen Winkler) am Uniklinikum Erlangen. „Denn die Kristalle können Zellen mechanisch schädigen und so die empfindliche Nanostruktur des Gewebes zerstören.“
Gewebsflüssigkeit erstarrt zu einem glasähnlichen Zustand
Auch menschliche Embryonen lassen sich durch extreme Tiefkühlung über viele Jahre konservieren. Dazu versetzt man die Zellen mit Chemikalien, die ähnlich wie Glyzerin die Entstehung von Eiskristallen verhindern. „Zwar erstarrt das Gewebe ebenfalls, wenn es auf unter -130 Grad abgekühlt wird“, sagt German. „Dabei geht das Wasser in und zwischen den Zellen jedoch in einen glasähnlichen Zustand über.“ Glas ist wie Eis fest; die Moleküle in ihm liegen aber ungeordnet vor – nicht regelmäßig wie in einem Kristall.
Das Verfahren wird „Vitrifikation“ genannt. Bislang ist es damit aber noch nicht gelungen, Nervengewebe oder gar ganze Teile des Gehirns einzufrieren, so dass sie nach dem Auftauen wieder ihre Funktion aufnehmen können. Ein Grund dafür ist, dass die eingesetzten „Frostschutzmittel“ ihrerseits toxisch für die empfindlichen Zellen sind. Zudem ist Hirngewebe besonders empfindlich: In ihm sind Abermillionen Nervenzellen über zahllose winzige Kontakte miteinander verknüpft, die Synapsen. Über sie tauschen die Neurone ihre Informationen aus.
Konservierungsmittel und Einfriervorgang optimiert
Bisherige Vitrifikations-Verfahren zerreißen dieses hochkomplexe Netz und schädigen zudem die Synapsen. Selbst wenn die einzelnen Zellen überleben, ist die eingefrorene Struktur daher nicht mehr funktionsfähig. „Wir haben jedoch die Zusammensetzung der Konservierungsmittel sowie den Abkühlvorgang so optimiert, dass das neuronale Gewebe intakt bleibt“, betont der Wissenschaftler.
Das Team hat den Erfolg seiner Methode an Hirnschnitten erprobt. Zudem kühlten die Beteiligten auf diese Weise auch eine komplette Hirnstruktur des Nagers auf -130 Grad herunter, den Hippocampus. Dieser spielt bei der Speicherung von Gedächtnisinhalten eine wichtige Rolle. „Wir konnten mit Elektronenmikroskopie-Aufnahmen nachweisen, dass die Nanostruktur des Gewebes sich durch den Einfrier-Vorgang nicht veränderte“, sagt German. „Nach dem Auftauen bildeten sich im Hippocampus zudem wieder spontan elektrische Signale, die sich ganz normal über die neuronalen Netzwerke fortpflanzten.“
Die Neurone begannen aber nicht nur wieder damit, Informationen auszutauschen. Die Hirnforscherin Dr. Fang Zheng vom Institut für Physiologie und Pathophysiologie (Leiter: Prof. Dr. Christian Alzheimer) der FAU konnte zeigen, dass sich bei den Synapsen der Nervenzellen auch die sogenannte Langzeitpotenzierung auslösen ließ. Darunter versteht man einen zellulären Schlüsselprozess, der dafür sorgt, dass häufig genutzte Synapsen gestärkt werden und so Informationen besonders gut übertragen. „Für Lernvorgänge und die Speicherung neuer Gedächtnisinhalte ist dieser Mechanismus von zentraler Bedeutung“, sagt German.
Behandlung unheilbarer Erkrankungen in die Zukunft verschieben?
Die in der Studie entwickelte Methode erlaubt es also offenbar, Hirngewebe in einem funktionsfähigen Zustand über lange Zeit zu konservieren und später erneut funktionell zu untersuchen. Beispielsweise werden bei manchen Menschen mit Epilepsie im Rahmen einer Operation Nervenzellen entnommen. Derartige Proben könnten so Jahre später für den Test von Medikamenten genutzt werden. Auch für die Erforschung von neurodegenerativen Erkrankungen ist die Kryokonservierung von pathologisch verändertem Gewebe wichtig.
Alexander German hofft zudem, dass es zukünftig möglich sein wird, ganze Organismen in eine Art künstliche Winterstarre zu versetzen und nach längerer Zeit daraus zu erwecken. „Das könnte zum Beispiel eine Option für die Raumfahrt sein – oder für Menschen, die unter einer momentan unheilbaren Krankheit leiden“, sagt er. „Denn zu einem späteren Zeitpunkt gibt es vielleicht eine Therapie-Option, die der betroffenen Person helfen kann.“
Direkt zur Studie:
https://doi.org/10.1073/pnas.2516848123
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Alexander German
Uniklinikum Erlangen
Tel.: 09131/85-39324
alexander.german@uk-erlangen.de
