Für Menschen, die aufgrund einer schweren Rückenmarksverletzung gelähmt sind, gibt es bislang kaum Behandlungsmöglichkeiten. Lange galt es als unmöglich, die durchtrennten Nervenbahnen dazu zu bringen, sich zu regenerieren. Nun ist Forschern ebendies gelungen: Eine spezielle Mischung von Molekülen, die die natürliche Umgebung der Zellen des Rückenmarks nachahmt und durch bioaktive Signale mit ihnen interagiert, sorgte bei Mäusen dafür, dass sich verletztes Rückenmark regenerierte. Weitere Studien sollen ermöglichen, die Therapie auch bei menschlichen Patienten einzusetzen.
Das Rückenmark ist das Bindeglied zwischen dem Gehirn und dem Rest des Körpers. Es leitet Signale vom Gehirn an die Gliedmaßen weiter und übermittelt die Sinnesempfindungen aus dem Körper zurück ans Gehirn. Ist diese Verbindung gestört – etwa, weil durch eine schwere Verletzung wichtige Nervenfasern im Rückenmark durchtrennt wurden – ist die betroffene Person gelähmt und kann die jeweiligen Körperteile meist weder spüren noch aktiv bewegen. Einmal durchtrennt, können sich die entsprechenden Nervenfasern nicht nachbilden. Das liegt unter anderem daran, dass die Zellen die Proteine, die für die Regeneration notwendig wären, nicht oder nur unzureichend selbst bilden können und ihre Mikroumgebung zwar dafür sorgt, dass sich der Schaden nicht weiter ausbreitet, zugleich aber eine Heilung verhindert.
Synthetische Moleküle interagieren mit Nervenzellen
Ein Team um Zaida Álvarez von der Northwestern University in Chicago haben nun eine Möglichkeit gefunden, verletztes Rückenmark dennoch nachwachsen zu lassen – zumindest bei Mäusen. Dazu ahmten sie mit einer speziellen Mischung von Materialien die Proteine nach, die den Zellen den benötigten Impuls geben, sich zu regenerieren. „Die in der Studie verwendeten Signale imitieren die natürlichen Proteine, die erforderlich sind, um die gewünschten biologischen Reaktionen auszulösen“, erklärt Álvarez. „Proteine haben jedoch eine extrem kurze Halbwertszeit und sind teuer in der Herstellung.“
Die Forscher setzten stattdessen auf synthetische Moleküle, sogenannte Peptid-Amphiphile, die sich nach der Injektion ins Rückenmark von selbst zu Fasern zusammenlagern, flexible Bindungen eingehen und mit den Rezeptoren der Zellen interagieren. „Bei unseren synthetischen Signalen handelt es sich um kurze, modifizierte Peptide, die – wenn sie zu Tausenden miteinander verbunden werden – wochenlang überleben und Bioaktivität liefern“, sagt Álvarez. „Das Ergebnis ist eine Therapie, die weniger teuer in der Herstellung ist und viel länger anhält.“
Rückenmark wächst nach
An die Peptid-Amphiphile hängten die Forscher zwei verschiedene biologische Signalmoleküle an: Bei dem einen handelte es sich um einen Wachstumsfaktor, der die beschädigten Nervenzellfortsätze, die sogenannten Axone, dazu anregt, sich zu regenerieren. Das andere sorgte für die Neubildung von Blutgefäßen, die die Nervenzellen versorgen, und half so den beschädigten Neuronen zu überleben. Insgesamt unterstützte die Therapie die Heilung auf fünf sich ergänzende Arten: Die Axone regenerierten sich, Narbengewebe, das eine physische Barriere für die Reparatur bilden kann, verringerte sich, die isolierende Myelinschicht um die Axone herum bildete sich neu, es entstanden neue Blutgefäße und es überlebten mehr Neuronen.
In ihren Versuchen mit Mäusen sowie an Zellkulturen mit menschlichen Nervenzellen stießen Álvarez und ihr Team zudem auf einen entscheidenden Faktor für die Wirksamkeit der Therapie: die Beweglichkeit der injizierten Moleküle. „Rezeptoren in Neuronen und anderen Zellen sind ständig in Bewegung“, erklärt Álvarez Kollege Samuel Stupp. „Die wichtigste Innovation in unserer Forschung ist die Kontrolle der kollektiven Bewegung von mehr als 100.000 Molekülen innerhalb unserer Nanofasern. Indem wir die Moleküle dazu bringen, sich zu bewegen oder sogar vorübergehend aus diesen Strukturen, die als supramolekulare Polymere bezeichnet werden, herauszuspringen, sind sie in der Lage, sich effektiver mit Rezeptoren zu verbinden.“ Um diesen Effekt zu erreichen, modifizierten die Forscher die Struktur der Moleküle so, dass sie weniger feste Bindungen untereinander eingingen.
Mögliche Anwendung beim Menschen
Warum genau die erhöhte Beweglichkeit mit einer verbesserten Wirksamkeit assoziiert ist, ist noch unklar. „Da die Zellen selbst und ihre Rezeptoren in ständiger Bewegung sind, kann man sich vorstellen, dass Moleküle, die sich schneller bewegen, häufiger auf diese Rezeptoren treffen“, schlägt Stupp vor. „Wenn die Moleküle träge und nicht so ‘gesellig’ sind, kommen sie vielleicht nie in Kontakt mit den Zellen.“ Aus Sicht der Forscher können ihre Ergebnisse dabei helfen, Therapeutika zu entwickeln, die bei menschlichen Patienten die Regeneration des Rückenmarks auslösen. Da die synthetischen Moleküle innerhalb von zwölf Wochen abgebaut werden und vollständig aus dem Körper verschwinden, gehen Álvarez und ihre Kollegen von einem guten Sicherheitsprofil aus.
„Unsere Forschung zielt darauf ab, eine Therapie zu finden, die verhindern kann, dass Menschen nach einem schweren Trauma oder einer Krankheit gelähmt werden“, so Stupp. „Außerdem könnten neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen Auswirkungen auf Strategien für neurodegenerative Erkrankungen und Schlaganfälle haben. Darüber hinaus könnte unsere grundlegende Entdeckung über die Kontrolle der Bewegung von Molekülverbänden zur Verbesserung der Zellsignalisierung universell auf alle biomedizinischen Ziele angewendet werden.“
Quelle: Zaida Álvarez (Northwestern University, Chicago, Illinois) et al., Science, doi: 10.1126/science.abh3602
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