Wissenschaftler suchen im Meer nach den Therapien von morgen.
Es grunzt, ist träge, und es liegt die längste Zeit des Tages lethargisch auf dem Meeresboden. Trotzdem: Würde das Tier, das die Zoologen „Krötenfisch” getauft haben, mit Michael Johnson um den schnellsten Muskel konkurrieren, der Sprintweltmeister hätte das Nachsehen. Kein anderes Tier ist in der Lage, einen Muskel so schnell zu bewegen, wie der Krötenfisch seinen Schwimmblasenmuskel zucken lässt: Bis zu 200-mal in der Sekunde kann ihn der etwa 30 Zentimeter lange Fisch an- und entspannen. Das ist 5-mal schneller als der Kolibri mit seinen Flügeln schlägt und 40-mal schneller als der Sprinter Johnson seine Füße voreinander setzt. Wie den meisten Fischen dient die Schwimmblase dem Krötenfisch dazu, den Auftrieb im Wasser zu regulieren. Männliche Krötenfische können ihr außerdem einen Ton entlocken, der sich ähnlich wie das Quaken eines Ochsenfroschs anhört. Wenn die Fische von April bis August auf der Partnersuche sind, kann man an den Flussmündungen der nordamerikanischen Küste hören, wie das Männchen mit seinem Quaken um ein Weibchen balzt. Bezirzt haben die Fische auch Wissenschaftler wie Ian Young. Er verbringt seine Sommer in Massachusetts, USA, am Meeresbiologischen Labor in Woods Hole, um den schnellsten Muskel des Tierreichs zu studieren und neue Therapien für menschliche Erkrankungen zu finden. „Wenn Sie ein neues System für einen Ford Escort entwickeln wollen, lohnt es sich, zuerst ein Formel 1-Modell zu studieren. Zu sehen, wie eine optimale Maschine arbeitet, ist immer sehr hilfreich”, sagt Young. Er steht mit seiner Suche nach maritimen Höchstleistungen nicht allein. Immer mehr medizinische Forscher interessieren sich für das Leben im Meer. Immerhin sind drei Viertel der Erdoberfläche von Meer bedeckt. Bei der Vielfalt des Lebens, die es bietet, kann selbst der tropische Regenwald nicht mithalten. Die speziellen Lebensbedingungen der Ozeane, die lebensfeindlichen Druckverhältnisse in der Tiefsee und die bittere Kälte der arktischen Gewässer brachten bei seinen Bewohnern Fähigkeiten hervor, die Festlandtiere nie zu entwickeln brauchten. Vor über 100 Jahren haben die Forscher des Meeresbiologischen Instituts in Woods Hole begonnen, den medizinischen Reichtum der Ozeane zu nutzen. Das 1888 gegründete Labor, das mit 17 Biologen in einem Ruderboot begann, zieht inzwischen Wissenschaftler aus allen Teilen der Welt an.
Für den Krötenfisch interessieren sich die Biomediziner in dem Institut an der amerikanischen Ostküste, weil er seine Muskeln nicht nur extrem schnell anspannen, sondern auch genauso schnell wieder entspannen kann. Der Herzmuskel eines Menschen, der an der so genannten Kardiomyopathie erkrankt ist, hat diese Fähigkeit eingebüßt. Die Folge: Sein Herz füllt sich nicht mehr ausreichend mit Blut und pumpt zu geringe Mengen davon in den Kreislauf. Auslöser dieses Leidens können sein: Virusinfektionen, Alkoholmissbrauch, Medikamenten-Nebenwirkungen oder rheumatische Erkrankungen. Nun wollen die Forscher herausfinden, wie es dem Krötenfisch möglich ist, seine Muskeln so schnell zu entspannen. Mit diesem Wissen lassen sich möglicherweise – so hoffen Mediziner und Pharmakologen – neue Therapieformen entwickeln, die den verkrampften Herzmuskel lockern und die Leistung der uneffektiv arbeitenden Kreislaufpumpe steigern. Larry Rome, der den quakenden Meeresbewohner sowohl an der University of Pennsylvania als auch am Meeresbiologischen Labor untersucht, hält ein einzelnes Molekül für entscheidend: „Es ist ein Protein, das Parvalbumin, das es dem Krötenfisch ermöglicht, den Muskel so schnell zu entspannen.” Dieses Eiweiß gibt es zwar auch in den Muskeln des menschlichen Skeletts, nicht aber im Herzmuskel. Dr. Joseph Metzger, Muskel-Physiologe an der Medical School der University of Michigan, arbeitet mit den Erkenntnissen aus seiner Krötenfischforschung bereits an einer Gen-Therapie für Herzkranke. Er hat das Parvalbumin-Gen in die Herzmuskelzellen einer herzkranken Ratte eingeschleust – mit Erfolg. Die Zellen produzierten das Parvalbumin, und das Rattenherz entspannte sich tatsächlich schneller. Der Krötenfisch ist aber nicht nur für Herzforscher interessant. Der Fisch hat eine einzigartige Fähigkeit entwickelt, sein zentrales Nervensystem zu reparieren. Wird bei einem Menschen das Rückenmark durchtrennt, ist er unterhalb der Verletzung gelähmt – bis zum Ende seines Lebens. Die muskellenkenden Nervenbahnen innerhalb der Wirbelsäule können weder Ärzte noch der Körper selbst reparieren. Der Krötenfisch ist dagegen in der Lage, sein Nervensystem zu regenerieren. Al Mensinger, Neurophysiologe an der Universität von Minnesota, untersucht, wie der Fisch das fertig bringt. Er pflanzt verletzten Tieren Elektroden in den Körper und verfolgt den Heilungsverlauf der Krötenfisch-Nerven. Mensinger ist von der Geschwindigkeit der Heilung überrascht: Nur einen Monat benötigen die Nervenbahnen, um sich zu regenerieren. Noch versteht er allerdings nicht, wie der Fisch das macht. Auch Dr. Harris Ripps, ein Augenarzt und Neurobiologe an der University of Illinois in Chicago verbringt seine Sommer nicht zur Erholung am Meer. In den Labors von Woods Hole studiert er seine Lieblings-Forschungsobjekte: Rochen. Er interessiert sich vor allem für die Netzhaut der Tiere: die lichtempfindliche Schicht, die den Augapfel von Innen auskleidet. Denn wäh-rend die menschliche Netzhaut sich aus zwei Rezeptortypen, den Stäbchen- und Zapfenzellen zusammensetzt, nehmen die Raubfische Licht ausschließlich mit Stäbchenzellen wahr. Mit den zahlreichen lichtempfindlicheren Stäbchenzellen können sie auch im Dunkeln sehen. Allerdings nehmen sie nur unscharfe schemenhafte und schwarz-weiße Bilder war. Um Farben zu erkennen und scharf zu sehen, benötigen Mensch und Tier Zapfenzellen, von denen ein menschliches Auge etwa sechs Millionen hat. Sein einfacher Bauplan macht das Rochenauge zu einem hervorragenden Modell, wenn man wie Ripps und sein Kollege John Dowling, ein Neurobiologe aus Harvard und Präsident des Meeresbiologischen Labors, die Stäbchenzellen isoliert untersuchen und den Einfluss der Zapfen ausschalten möchte. Die beiden Wissenschaftler forschen nach Therapien gegen die Retinitis pigmentosa, eine Krankheit der menschlichen Netzhaut (Retina). Etwa 100000 Amerikaner und 20000 bis 30000 Bundesbürger leiden an dieser langsamen Zerstörung der Sehkraft, bei der es bis jetzt keine Heilung gibt.
Die Krankheit beginnt schleichend. Zu Beginn können die Patienten nachts immer schlechter sehen, dann verkleinert sich ihr Blickfeld immer weiter, bis viele schließlich vollständig erblinden. Da die Menschen zunächst nur das nächtliche Sehvermögen verlieren, erkannten die Mediziner schon früh, dass am Anfang vor allem die Stäbchenzellen betroffen sind. Die farbsehenden Zapfenzellen sterben bei der Retinitis pigmentosa meist erst in einem späten Stadium der Krankheit ab. Dass sie überhaupt absterben, ist verwunderlich, denn die Gendefekte bei der Retinitis greifen in den Haushalt des Sehfarbstoffs Rhodopsin ein – und den gibt es nur in den Stäbchen. Bei den Rochenaugen untersucht Ripps nun die „normalen” Vorgänge in den Sehzellen, um später herauszufinden, was in den kranken Zellen falsch abläuft und wie die Störung auf die Zapfenzellen überspringen kann. Während die Rochen im Meer sozusagen nebenan gefangen werden können, müssen sich die Wissenschaftler am Meeresbiologischen Labor ein anderes Forschungsobjekt aus Übersee zuschicken lassen. Per Express-Päckchen von den Fidschi-Inseln im Pazifik trifft die giftige Kegelschnecke ein, die je nach Unterart auch für den Menschen tödlich sein kann. Vor allem eine Eigenschaft von ihr ist es, die den weiten Weg lohnt: Dasselbe Enzym, das für den Menschen unentbehrlich ist, um sein Blut bei Verletzungen gerinnen zu lassen, braucht die Schnecke, um ihr tödliches Gift herzustellen. Das Biomolekül – dessen menschliche Variante den umständlichen Namen „Vitamin-K abhängige Carboxylase” trägt – verändert in beiden Organismen die Aminosäure Glutamat. Die neue chemische Verbindung ist sowohl ein wichtiger Bestandteil des Schneckengifts als auch eine Schlüsselsubstanz für mehrere Faktoren des menschlichen Blutgerinnungssystems. Diese Funktion des Enzyms nutzen Ärzte bereits jetzt, um bei Patienten, die durch Thrombose gefährdet sind, das überaktive Gerinnungssystem unter Kontrolle zu bringen: Medikamente wie Marcumar hemmen die Carboxylase. Seit der Spezialist für Bluter-Krankheiten, Dr. Bruce Furie, feststellte, dass das Wohlergehen seiner Patienten von demselben Enzym abhängt wie das einer Schnecke, pendelt er einmal pro Woche zwischen seiner Arbeitsstätte an der Havard Medical School und dem Labor in Woods Hole. Das Blut eines Bluter-Kranken enthält zu wenig Gerinnungsfaktoren. Die Patienten bluten häufig und heftig, was bei größeren Wunden lebensgefährlich werden kann. Bei einer bestimmten Form der Bluter-Krankheit ist die Ursache eine Störung der Carboxylase. Bluter-Forscher Furie: „Das Enzym ist auch für andere Wirbeltiere lebenswichtig. Wir vermuten sogar, dass es darüber hinaus eine grundlegende Funktion bei allen Tieren hat und für ihr Überleben notwendig ist.”
Furies Team hat die Gensequenz des Schneckenenzyms analysiert und dabei festgestellt, dass sie der menschlichen Genstruktur ähnlich ist, bis auf kleine, aber wichtige Unterschiede. Verblüffend für Furie: „Obwohl sich die Enzym-Gene von Mensch und Schnecke in manchen Punkten unterscheiden, stellen beide Lebewesen ein funktionierendes Enzym her. Jetzt vergleichen wir die beiden Baupläne, um herauszufinden, welche Teile des Enzyms wirklich notwendig sind, um zu funktionieren – und wie man Menschen mit fehlerhaften Enzymen helfen kann.” Bis sich aus solchen Grundlagenforschungen an Krötenfisch, Rochen oder Kegelschnecke neue Therapieformen entwickeln, wird es sicher noch Jahre dauern. Die Pfeilschwanzkrebse bewähren sich dagegen schon seit 25 Jahren im Dienste des Menschen – und in eigener Sache sogar weitaus länger: Seit ungefähr 250 Millionen Jahren bevölkern sie mehr oder weniger unverändert die Meere.
Die Karriere der Tiere begann, als in den fünfziger Jahren der Meeresbiologe Frederik Bang ihren Blutkreislauf studierte. Dabei stieß er auf eine bemerkenswerte Eigenschaft der urzeitlichen Tiere. Wenn ihr Blut mit Bakterien in Kontakt kommt, tötet es sie ab und gerinnt. Die Tiere waren im Laufe der Evolution gezwungen, einen Mechanismus zu entwickeln, der Bakterien daran hindert, sich in ihrem Körper auszubreiten. Im Gegensatz zu Wirbeltieren besitzen Pfeilschwanzkrebse kein geschlossenes Blutgefäßsystem, das Eindringlinge für eine Weile auf ein Kanalnetz beschränkt, und so der Immunabwehr einen Zeitvorteil verschafft, sondern sie haben ein offenes Blutgefäßsystem ohne Adern. Bang und andere Wissenschaftler hatten die Idee, dass sich mit Hilfe des Krebsblutes auch feststellen ließe, ob Impfstoffe oder Medikamente mit Bakterien verseucht sind. Die bisherigen Untersuchungen an Kaninchen waren teuer, zeitaufwändig und für die Tiere eine Quälerei. Die Idee funktionierte in der Praxis und setzte sich schließlich als „Limulus-Test” weltweit durch. Den Pfeilschwanz-Krebsen wird dabei Blut entnommen, ohne dass es ihnen schadet. Das Blut wird mit dem Untersuchungsmaterial vermischt – und innerhalb von 45 Minuten liegt das Resultat vor. Nach seinem großen Erfolg gibt es den Limulus-Test bald wohl auch jenseits der irdischen Grenzen: Die NASA will das Verfahren bei Expeditionen auf fremden Planeten einsetzen. Denn mit der Planung der ersten Mission auf den Mars steht die amerikanische Weltraumbehörde vor einem Problem: „Es gibt eine internationale Abmachung, dass jedes Raumschiff, das auf einem anderen Planeten landet, absolut keimfrei sein muss. Mindestens ebenso wichtig ist es, dass das Schiff auf dem Rückflug keine gefährlichen Mikroorganismen auf die Erde einschleppt und damit möglicherweise neue und gefährliche Krankheiten verbreitet”, erklärt Norman Wainwright, ein Zell-Biologe, der den Pfeilschwanz-Krebs seit mehreren Jahren studiert. Das Blut der Tiere bietet der NASA eine Möglichkeit, die Kontamination von Erde oder Mars zu verhindern. Der Krötenfisch hat seine Bewährungsprobe im Weltraum bereits bestanden. Im Oktober 1998 begleiteten zwei Exemplare den 77-jährigen Astronauten John Glenn auf seine Reise ins All. Das Ziel der Mission: Die Fische sollten zeigen, wie sich der Verlust der Schwerkraft auf das Gleichgewichtssystem auswirkt. Während des 5,3 Millionen Kilometer langen Fluges wurden die Krötenfische in Spezialaquarien gehalten und mit Elektroden verkabelt. Mit dieser Apparatur maßen die Astronauten die Aktivität des Vestibularorgans, das für das Gleichgewicht der Tiere zuständig ist. Ausgewählt wurden die Fische allerdings nicht wegen irgendwelcher besonderer Fähigkeiten, denn das Gleichgewichtsorgan funktioniert bei Fisch, Mensch oder Hund mehr oder weniger gleich. Allein ihrem Äußeren verdankten sie die Ehre, der Wissenschaft dienen zu dürfen: Der breite und flache Kopf des Krötenfischs eignet sich hervorragend, um ihn mit Elektroden zu pflastern und zu verkabeln.
Kompakt
Menschen und Meerestiere sind sich biochemisch in manchem erstaunlich ähnlich. Das hilft in der medizinischen Forschung, völlig neuartige Therapien zu entwickeln.
INTERNET Marine Biological Laboratory in Woods Hole www.mbl.edu
Online-MaGazin Online-Magazin und Datenbank zur Erforschung von biomedizinisch interessanten Meeresorganismen www.mbl.edu/BiologicalBulletin/mmer.html
Lesen MEDIKAMENTENFISCHER – ein Artikel über neue Medikamente aus dem Meer in bild der wissenschaft 11/1998 Sie finden diesen Beitrag auch unter www.wissenschaft.de im Heftarchiv.
Sharon Kay, Volker Steger
