Sekretomics deckt Rätsel um Blut-Hirn-Schranke auf

Bei der Neuroinflammation überwinden Immunzellen wie Leukozyten die Blut-Hirn-Schranke. Ein Schlüssel dafür sind die Gelatinasen Matrix-Metalloproteinase(MMP)-2 und -9. Bisher waren die an dem Prozess beteiligten Substrate dieser Enzyme nicht bekannt.

Die Endothelzellen an der Innenwand zerebrale Blutgefäße bilden über eng verknüpfte Verbindungsstellen, sogenannte Tight Junctions, eine das Gehirn schützende Barriere. Ohne die darunterliegenden Astrozyten kann sich jedoch keine voll funktionsfähige Blut-Hirn-Schranke (BHS) bilden. Bei der Neuroinflammation sind die Endothel- und die Astroglia-Schicht molekular und funktionell zwei unterschiedliche Barrieren für eindringende Leukozyten. Studien zu Multipler Sklerose (MS) zeigen, dass sich Krankheitssymptome aber erst entwickeln, wenn die Immunzellen auch die Astroglia-Schicht durchdrungen haben. „Das unterstreicht ihren wichtigen Beitrag zur funktionellen Unversehrtheit der BHS sowie ihre Unabhängigkeit von der Endothelbarriere“, erklärt Prof. Lydia Sorokin, Direktorin des Instituts für Physiologische Chemie und Pathobiochemie an der Universität Münster. „Doch im Gegensatz zur Leukozytenpenetration der Endothelbarriere gab es bisher wenig Kenntnis über nachfolgende Prozesse an der Astroglia-Schicht.“

Datenlage zu Prozessen an der Zelloberfläche von Astrozyten ist dünn

Bekannt ist, dass die Gelatinasen Matrix-Metalloproteinase(MMP)-2 und -9 das Eindringen von Leukozyten ins Gehirns bei Neuroinflammation regeln. Eine Aktivität dieser beiden proteinspaltenden Enzyme ist somit ein früher Marker für das Eindringen dieser Immunzellen in das Hirnparenchym – bisher der einzige spezifische Marker für eine laufende Neuroinflammation. „Es gibt Hinweise darauf, dass MMP-2 und MMP-9 sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die BHS haben. Daher wird die Entschlüsselung ihrer Substratspezifität an der Hirnparenchymgrenze zum Verständnis der molekularen Prozesse beitragen, die essenziell für die astrogliale Barrierefunktion sind“, ist Sorokin überzeugt.

Sekretomic ist der Schlüssel zu Peptiden aus proteolytischer Spaltung

Die Identifizierung der Enzym-Spaltstellen ist jedoch eine Herausforderung. Das Forscherteam setzt dabei auf jüngste Fortschritte unter anderem in der Massenspektrometrie (MS) zur Analyse des Sekretoms – eine Methode, mit der von Zellen abgesonderte Proteine umfassend detektiert werden können. In dieser Studie entwickelten sie diese Methode weiter, um proteolytische Spaltungen von Zellmembran-assoziierten Proteinen zu identifizieren. „Unser Ansatz weist extrazellulär freigesetzte Proteinfragmente unabhängig von biochemischen Anreicherungen nach und ist daher besonders empfindlich“, erkärt Prof. Felix Meissner, Direktor des Instituts für Angeborene Immunität des UKB.

Mithilfe eines maßgeschneiderten Sekretom-MS-Ansatzes identifizierte das Team zwei Hauptklassen von Verbindungen, die durch MMP-2/MMP-9 von der Astrozyten-Zelloberfläche freigesetzt werden. Validiert wurden diese neuen Substrate der Neuroinflammation im Mausmodell der Multiplen Sklerose und in Proben von Multiple-Sklerose-Patienten.

Insgesamt liefert die Kombination des Sekretom-MS-Ansatzes mit Kenntnissen über die astrogliale Barriere eine den Forschern zufolge einzigartige Datenbank bisher unbekannter Gelatinase-Substrate, die wahrscheinlich zur Barrierefunktion der astroglialen Grenze beitragen. Zudem deutet vieles darauf hin, dass die MMP-2/MMP-9-Aktivität auch die Kommunikation zwischen Astrozyten und Neuronen beeinflussen kann. „Unser Ansatz zur Identifizierung von proteolytischen Prozessen, die die astrogliale Barrierefunktion steuern, funktioniert und bietet Möglichkeiten für zukünftige Forschungen zum Verständnis der molekularen Natur der Astroglia-Barriere und ihres Beitrags zur BHS“, sagt Meissner.