Eisen- und Kupferionen spielen für die normale Funktion des Gehirns eine wichtige Rolle: Viele Enzyme und Proteine enthalten die positiv geladenen Metallteilchen, die durch Reaktionen mit anderen Stoffen beispielsweise an der Produktion von Botenstoffen im Gehirn beteiligt sind. Bisher ging man davon aus, dass die Metalle stets in geladener Form, also als Ionen vorliegen, beispielsweise als Eisenoxid oder Kupferoxid. Dabei können sie verschiedene Ladungszustände annehmen: Kupferionen können einwertig oder zweiwertig sein (Cu+ und Cu2+), Eisenionen zweiwertig oder dreiwertig (Fe2+ und Fe3+). Das Gleichgewicht zwischen den verschieden geladenen Ionen ist wichtig für die gesunde Hirnchemie. Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass ein verschobenes Verhältnis in Zusammenhang mit der Bildung von alzheimertypischen Amyloid-Plaques stehen kann.
Elementares Metall in Amyloid-Plaques
Ein Team um James Everett von der Keele University in Großbritannien hat nun die Verteilung und den chemischen Zustand von Metallen im Gehirn von Alzheimer-Patienten näher untersucht. Dazu analysierten die Forscher Amyloid-Plaque-Kerne, die sie aus dem Frontal- und Temporallappen zweier verstorbener Alzheimer-Patienten entnommen hatten. Unter dem Röntgenmikroskop wiesen die Forscher innerhalb der Plaques verschiedene ionisierte Formen von Eisen und Kuper nach – und entdeckten zu ihrer Überraschung zudem Nanopartikel der Metalle in ihrer elementaren Form.
„Unseres Wissens nach ist dies der erste Nachweis von elementarem metallischem Kupfer und Eisen in menschlichem Gewebe“, schreiben die Forscher. „Dieser Fund wirft faszinierende neue Fragen über die Produktion und Rolle von Metall-Nanopartikeln im Gehirn auf, etwa ob ihre Bildung mit neuropathologischen Prozessen zusammenhängt.“ Die Entdeckung könnte aus Sicht der Forscher neue Erkenntnisse über die Entstehung der Alzheimer-Krankheit und verwandter neurodegenerativer Erkrankungen liefern.
Mechanismen noch nicht geklärt
Eine wichtige Frage ist, wie die elementaren Metallteilchen entstanden sind. „Dazu gibt es verschiedene plausible Erklärungen“, so die Forscher. Eine Möglichkeit ist, dass dafür das Protein Beta-Amyloid verantwortlich ist, aus dem sich die schädlichen Plaques formen. Eisen- und Kupferionen, die an dieses Protein gebunden sind, könnten direkt chemisch reduziert werden. „Angesichts des hohen Reduktionspotenzials von Verbindungen aus Kupfer und Amyloid-Beta im Vergleich zu anderen Komplexen von Kuper mit Biomolekülen ist dies denkbar“, erklären die Everett und seine Kollegen. Tatsächlich konnten sie nachweisen, dass Beta-Amyloid zweiwertiges Kupfer zu einwertigem reduziert. Insoweit wäre auch der nächste Schritt, die Reduktion von einwertigem zu elementarem Kuper, denkbar. Da einwertiges Kupfer normalerweise durch Sauerstoff stabilisiert wird, könnte ein Sauerstoffmangel im Gehirn, wie er oft bei neurodegenerativen Krankheiten vorkommt, die weitere Reduktion begünstigen.
