Zellgenaue Konzentrationsmessungen im Nervengewebe

Forschende der Universität Düsseldorf untersuchen mit Bonner Beteiligung den Natriumgehalt von Astrozyten

Das Element Natrium spielt für die Funktion des Nervensystems eine zentrale Rolle. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Instituts für Neurobiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) hat nun unter Beteiligung der Universität Bonn und des Universitätsklinikums Bonn die Natriumkonzentration in Astrozyten, speziellen Zellen im Gehirn, genauer untersucht. Die Forschenden entwickelten dazu eine Methode, mit der sie den Natriumgehalt einzelner Zellen im Gewebe direkt sichtbar machen können, wie sie nun in der Fachzeitschrift Nature Communications beschreiben.

Das Gehirn besteht nicht nur aus Nervenzellen, den Neuronen, sondern zu etwa der Hälfte auch aus den sogenannten Gliazellen. Diese spielen bei der Gehirnentwicklung eine wichtige Rolle und sind entscheidend für die Kommunikation zwischen Nervenzellen sowie die Funktion von Nervenzellnetzwerken. Zu den Gliazellen gehören auch die sogenannten Sternzellen oder „Astrozyten“.

Das Element Natrium, oder vielmehr positiv geladene Natriumionen, sind die wichtigsten Elektrolyte im menschlichen Körper. Diese Ionen sind entscheidend für viele Körperfunktionen. Ihre Hauptquelle ist Kochsalz (NaCl), welches über die Nahrung aufgenommen wird.

Natriumionen sind auch an vielen Prozessen im Gehirn beteiligt, ihre Konzentration muss dafür streng reguliert werden. In Astrozyten ist eine niedrige intrazelluläre Natriumkonzentration unter anderem für die Kontrolle der Botenstoffe an den Synapsen, den Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, wichtig. Ebenso ist sie wesentlich, um den Haushalt anderer Elektrolyte zu regulieren. Hierdurch stellen Astrozyten die Funktionsfähigkeit der Nervenzellen sicher und regulieren deren Erregbarkeit.

Am HHU-Institut für Neurobiologie entwickelte das Team um Prof. Dr. Christine Rose nun nun in einer vom Bundesforschungsministerium geförderten Untersuchung (Projekt SynGluCross) eine neue Technik, mit der der Natriumgehalt in den Astrozyten und ihren feinen Zellausläufern erstmals direkt im Hirngewebe sichtbar gemacht werden kann. Zusammen mit Forschenden der Universität Erlangen-Nürnberg, der Universität Bonn, des Universitätsklinikums Bonn und der University of South Florida in Tampa (USA) wollten die Düsseldorfer Neurobiologinnen und -biologen die bisherige Annahme prüfen, ob Natrium in allen Astrozyten und in all ihren zellulären Kompartimenten ähnlich niedrig konzentriert ist, damit die Astrozyten ihre lebenswichtigen Aufgaben zuverlässig erfüllen können.

Sie stellten jedoch fest, dass dies nicht der Fall ist. Vielmehr fanden sie Unterschiede – sowohl zwischen einzelnen Astrozyten als auch innerhalb verschiedener Kompartimente dieser Zellen. Gemeinsam mit den Erlangen-Nürnberger Kollegen wiesen sie darüber hinaus nach, dass für diese Unterschiede bestimmte Transportmoleküle verantwortlich sind, die in der Zellmembran verschiedener Astrozyten unterschiedlich häufig vorkommen sowie unterschiedlich zusammengesetzt sind.

Die Kooperationspartner aus den USA implementierten diese Erkenntnisse in biophysikalische Computermodelle und konnten in den Simulationen die experimentellen Ergebnisse nachvollziehen. Die Bonner Kollegen validierten die in Düsseldorf im isolierten Hirngewebe gewonnenen Ergebnisse im Tiermodell.

„Während Lehrbücher von einer gleichmäßigen Ruhekonzentration von Natrium in und zwischen Astrozyten ausgehen, zeigen die Daten eine deutliche Variabilität“, sagt Prof. Dr. Christian Henneberger vom Institut für Zelluläre Neurowissenschaften I an der Universität Bonn und am Universitätsklinikum Bonn. Das sei deshalb bedeutsam, weil viele wichtige Prozesse wie zum Beispiel die Wiederaufnahme von erregend wirkendem Glutamat an die Natriumkonzentration in Astrozyten gekoppelt sind. Deren Effizienz müsste dann unerwarteterweise ebenso schwanken, ergänzt der Wissenschaftler, der auch Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich „Life & Health“ an der Universität Bonn ist.

Dr. Jan Meyer, Erstautor der Studie: „Wir konnten darüber hinaus zeigen, dass aufgrund der unterschiedlichen Natriumkonzentrationen spezialisierte funktionelle Sub-Domänen in Astrozyten existieren. Sie reagieren jeweils auf die lokalen Bedürfnisse ihres direkt benachbarten Nervennetzwerks.“

Die Leiterin der Studie Prof. Dr. Christine Rose betont die weiterführenden Aspekte: „Diese neu entdeckten Eigenschaften von Astrozyten spielen möglicherweise auch eine Rolle bei verschiedenen Erkrankungen des Gehirns, bei denen Ionenhaushalt und Botenstoff-Regulation gestört sind wie bei Epilepsien oder nach einem Schlaganfall. Unsere Ergebnisse bieten so neue Ansatzpunkte für weitere Forschungen.“

Publikation: Jan Meyer, Viola Bornemann, Alok Bhattarai, Sara Eitelmann, Petr Unichenko, Simone Durry, Karl W. Kafitz, Nicholas Chalmers, Jianfeng Fan, Ruth Beckervordersandforth, Christian Henneberger, Ghanim Ullah and Christine R. Rose; Cellular and subcellular heterogeneity of astrocytic Na⁺ homeostasis tuning astrocytes into functionally distinct subgroups in the mouse brain; Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-026-73435-z

Bild:

Bildunterschrift: Bunte Astrozyten -ed.jpg: Astrozyten im Gewebeverbund.

Bildnachweis: HHU / Institut für Neurobiologie – Jan Meyer