Neue Technik macht Natriumgehalt in Astrozyten sichtbar

Das Element Natrium spielt für die Funktion des Nervensystems eine zentrale Rolle. Ein internationales Forschungsteam hat nun 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.

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 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 Institut für Neurobiologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf entwickelte ein Team um Prof. Christine Rose 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. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

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 für ihre Studie 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.

Natriumverteilung in Astrozyten ist komplexer als gedacht

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.

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 Studienleiterin 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.“