Gehirnzellen passen sich bei Ernährungsumstellung oder Erkrankung unterschiedlich gut an

Wenn wir unsere Ernährung ändern oder erkranken, muss sich auch der Energiestoffwechsel unseres Gehirns darauf einstellen. Forschende am Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften haben herausgefunden, dass sich die fünf wichtigsten Zelltypen im Gehirn deutlich darin unterscheiden, wie sie ihren Stoffwechsel auf veränderte Einflüsse einstellen. 

Dass unser Gehirn derart leistungsfähig ist, verdankt es seinen verschiedenen zellulären Spezialisten, die zusammenarbeiten und miteinander kommunizieren: Neuronen, Astrozyten, Oligodendrozyten, Mikroglia und Endothelzellen.

Dem Team um Gesine Saher gelang es, in diesen fünf Zelltypen deren Inventar an Proteinen zu kartieren. Dieses Proteom passt sich äußerst dynamisch Veränderungen in ihrer Umgebung an, zum Beispiel bei Mangel an Nährstoffen oder erhöhtem Stress. „Uns hat interessiert, wie sich Ernährung und Gesundheitszustand auf das Proteom von Zellen im Gehirn auswirken. Wir wollten herausfinden, ob sich in den unterschiedlichen Zelltypen Stoffwechselmuster erkennen lassen“, erklärt Saher, Projektgruppenleiterin in der Abteilung Neurogenetik. Dafür isolierte ihr Team alle fünf Zellarten aus der Hirnrinde von Mäusen, die von der üblichen kohlenhydratbasierten auf eine kohlenhydratarme, fettreiche ketogene Diät umgestellt wurden. Weitere Zellproben entnahm das Team Nagern, die an einer Entzündung des Nervengewebes litten.

Zellarten reagieren von flexibel bis konservativ

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die einzelnen Zelltypen im Gehirn unterschiedliche Strategien haben, um die veränderte Verfügbarkeit der Energiesubstrate zu kompensieren. Astrozyten und Nervenzellen sind in ihrem Stoffwechsel flexibel und passen sich an“, erklärt Saher. Tim Düking, Erstautor der jetzt im Fachmagazin “Science Advances” veröffentlichten Studie, ergänzt: „Dies zeigte sich in unseren Mäusen bei einer ketogenen Diät beispielsweise daran, dass die Dichte der Mitochondrien erhöht war. Diese Zellorganellen verstoffwechseln die Ketonkörper, die entstehen, wenn der Körper verstärkt Fett abbaut.“

„Gleichzeitig ermöglichten Endothelzellen durch den verstärkten Import von Ketonkörpern ins Gehirn, dass seine Zellen überhaupt erst Zugang zu diesem veränderten Nährstoffangebot erhielten“, ergänzt Lena Spieth, ebenfalls Erstautorin der Studie. „Oligodendrozyten waren die Konservativsten unter den Zellarten. Sie behielten ihren Stoffwechsel bei.“

Die Arbeiten der Forschenden liefern auch neue Erkenntnisse, warum sich eine ketogene Diät bei MS positiv auswirken kann. Neuroinflammatorische Erkrankungen wie diese bringen den Energiestoffwechsel des Gehirns aus dem Gleichgewicht; dies schädigt die Nervenzellen. Als Reaktion stellt sich der Nervenzellstoffwechsel auf Fett als primäre Energiequelle um. „Bei unseren Mäusen, die an einer Neuroinflammation litten, zeigte sich dies als deutliches Muster im Stoffwechsel ihrer Nervenzellen, ähnlich wie in gesunden Mäusen, denen eine ketogene Diät verabreicht wurde. Erhielten erkrankte Tiere eine ketogene Diät, verstärkte sich der Energiestoffwechsel in den Nervenzellen am deutlichsten. Der Schweregrad der MS-Erkrankung reduzierte sich. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die ketogene Diät das benötigte Fett als Energiesubstrat liefert“, erklärt Saher.

Weitere Studien müssen zeigen, inwieweit diese Ergebnisse auf den Menschen übertragbar sind. Bei Erkrankungen des Nervensystems wird der Stoffwechsel bereits als Ziel für Therapien diskutiert. Die zelltypspezifischen Proteomdatensätze des Göttinger Teams liefern hierfür eine wichtige Grundlage.