Teil der Vogelretina funktioniert ohne Sauerstoff – Rätsel um Pecten oculi gelöst

Die inneren Schichten der Vogelnetzhaut werden durch anaerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt. Wie sie trotz dauerhaften Sauerstoffmangels funktionieren, darüber berichtet ein internationales Forschungsteam in der Zeitschrift „Nature“. Es konnte nachweisen, dass der Pecten oculi als eine Art Stoffwechselportal fungiert.

Demnach liefert diese ungewöhnliche Struktur im Vogelauge, der sogenannte Augenfächer (Pecten oculi), die benötigte Glukose und transportiert Abfallprodukte ab. Die Studie widerlegt damit eine seit dem 17. Jahrhundert bestehende Annahme über die Funktion dieses mysteriösen Gewebes. Zudem deuten evolutionsbiologische Untersuchungen des Teams darauf hin, dass dieses besondere Merkmal bereits in der Dinosauriergruppe auftrat, aus der später die modernen Vögel hervorgingen.

Auch wenn die Studie keinen direkten Anwendungsbezug hat, besteht berechtigte Hoffnung, dass die gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen können, neu über Krankheiten nachzudenken, bei denen Sauerstoffmangel eine Rolle spielt, wie etwa dem Schlaganfall.

Über 300 Jahre Forschung finden ein überraschendes Ende

In der Studie liefert ein internationales Forschungsteam eine Erklärung für ein biologisches Paradoxon. Die Forschenden, darunter Prof. Henrik Mouritsen und Prof. Karin Dedek von der Universität Oldenburg, zeigen, dass die inneren Schichten der Vogelretina trotz permanenten Sauerstoffmangels funktionieren und dass das Gewebe stattdessen durch anaerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt wird.

Dem Forschungsteam unter Leitung von Prof. Christian Damsgaard und Prof. Jens Randel Nyengaard von der Universität Aarhus in Dänemark stellte sich die zentrale Frage. Wie wird die Vogelretina mit Energie versorgt, obwohl es dort keine Blutgefäße gibt?

„Die Netzhaut ist ein Gewebe aus Nervenzellen, das einen hohen Energieverbrauch hat, sie ist sozusagen eine hochspezialisierte Erweiterung des Gehirns“, erläutert Mouritsen. Er war daran beteiligt, die Idee für die Studie zu entwickeln.

Das Fehlen von Blutgefäßen erhöht womöglich die Sehschärfe

Für gewöhnlich wird Nervengewebe durch ein dichtes Netz aus winzigen Blutgefäßen mit Sauerstoff versorgt. Die Netzhaut von Vögeln bildet jedoch eine auffällige Ausnahme – dort gibt es keine Blutgefäße. Das erhöht vermutlich die Sehschärfe, da Blutgefäße das Licht auf seinem Weg zu den Sinneszellen ablenken. Diese Streuung ist bei Vögeln vermutlich reduziert. Wie deren Netzhaut ohne Blutversorgung überleben kann, war jedoch bislang unklar.

Jahrhunderte altes Rätsel um den Pecten oculi gelöst

„Unser Ausgangspunkt war eigentlich ganz einfach“, sagt Erstautor Damsgaard: „Nach allem was wir über Physiologie wissen, sollte dieses Gewebe nicht funktionsfähig sein.“ Die Suche nach der Lösung dieses Rätsels war indessen alles andere als simpel. Sie dauerte insgesamt acht Jahre.

Jahrhundertelang gab es eine vorherrschende Theorie dafür, wie Sauerstoff in die Netzhaut gelangt. Demnach war dafür eine kammartige, stark durchblutete Struktur im Glaskörper des Vogelauges verantwortlich – der sogenannte Augenfächer. Obwohl seit dem 17. Jahrhundert bekannt, blieb seine genaue Funktion spekulativ.

Kooperation mit Tieranästhesisten lieferte zentrale Erkenntnis

Ein Grund dafür: Niemand hatte bislang den Sauerstoffgehalt in der Vogelretina unter normalen physiologischen Bedingungen untersucht. „Direkte Messungen sind technisch extrem schwierig“, erklärt Nyengaard. 2020 gelang es dem Forschungsteam, entsprechende Untersuchungen in Zusammenarbeiten mit Expertinnen für Tieranästhesie der Universität Aarhus durchzuführen. Die Ergebnisse überraschten das Team. Der Augenfächer stellt demnach keinen Sauerstoff für die Netzhaut zur Verfügung. Stattdessen stellte sich heraus, dass sich die inneren Schichten der Netzhaut in einem Zustand permanenten Sauerstoffmangels befinden.

Methoden aus unterschiedlichen Forschungsfeldern kombiniert

Dies warf eine weitere Frage auf. Wie kann die Vogelretina genug Energie produzieren, um funktionieren zu können? Um das herauszufinden, kombinierten die Forschenden Methoden aus unterschiedlichen Forschungsfeldern. Unter anderem verwendeten sie ein Verfahren, um die räumliche Aktivität von tausenden Genen direkt im Netzhautgewebe zu kartieren. Mithilfe der sogenannten räumlichen Transkriptomik konnten sie etwa herausfinden, an welchen Stellen des Gewebes spezifische Stoffwechselpfade aktiv waren.

Die Daten enthüllten ein klares Muster. Gene, die mit der anaeroben Glykolyse zu tun haben – dem Abbau von Zucker ohne Sauerstoff – waren in den mit Sauerstoff unterversorgten inneren Schichten der Retina sehr aktiv. Diese Erkenntnis stellte die Forschenden erneut vor ein Rätsel. Anaerobe Glykolyse erzeugt pro Zuckermolekül nur ein Fünfzehntel der Energie, die sauerstoffbasierter Stoffwechsel liefert. „Wie kann eins der energiehungrigsten Gewebe im Vogelkörper mit so einem ineffizienten Prozess klarkommen?“, fragt Nyengaard.

Pecten oculi fungiert als Stoffwechselportal

Weitere bildgebende Studien mit radioaktiv markierten Glukosemolekülen zeigten, dass die Vogelretina sehr viel mehr Zucker aufnimmt als der Rest des Gehirns. Daraufhin schauten sich die Forschenden den rätselhaften Augenfächer noch einmal genauer an. Das Team fand heraus, dass in dieser Struktur vor allem Gene aktiv sind, die die Herstellung von Enzymen zum Transport von Glukose und Laktat, ein Abfallprodukt des anaeroben Stoffwechsels, steuern. Statt Sauerstoff bereitzustellen, agiert der Augenfächer als Stoffwechselportal. Er transportiert Glukose in die Netzhaut und befördert Laktat über den Augenfächer zurück in den Blutkreislauf.

Karin Dedek und Henrik Mouritsen zeigten, dass bestimmte Stützzellen, die sogenannten Müller-Zellen, innerhalb der Retina dafür sorgen, dass Glukose zu den Nervenzellen gelangt und Laktat abtransportiert wird. Die beiden Forschenden wiesen mithilfe von Antikörpern nach, dass in diesen Zellen die Enzyme zum Transport von Laktat und Glukose vorhanden sind.

Sie entwickelten zudem ein Modell dafür, wie Laktat und Glukose zwischen dem Augenfächer, dem Glaskörper und den Müller-Zellen ausgetauscht werden, um in den Nervenzellen der Netzhaut eine hochwirksame anaerobe Glykolyse zu ermöglichen.

Augenfächer war vermutlich bereits Teil des Dinosaurierauges

„Der Augenfächer ist ein Transportsystem, um Treibstoff zu beschaffen und Abfallprodukte zu entfernen“, betont Nyengaard. Forschende interpretierten die Funktion der seltsamen Struktur im Vogelauge demnach über Jahrhunderte fehl. Evolutionsbiologische Untersuchungen des Teams deuten zudem darauf hin, dass dieses besondere Merkmal bereits in der Dinosauriergruppe auftrat.

„Bei Leiden wie einem Schlaganfall wird menschliches Gewebe in Mitleidenschaft gezogen, weil die Sauerstoffzufuhr reduziert ist und sich dort dann Abfallprodukte des Stoffwechsels anreichern“, sagt Nyengaard. „In der Netzhaut von Vögeln sehen wir ein System, das mit Sauerstoffmangel auf eine völlig neue Art fertig wird.“ Auch wenn die Studie keinen direkten Anwendungsbezug hat, gehen die Autoren davon aus, dass die Ergebnisse für die Medizin interessant sein könnten – etwa um neu über Krankheiten nachzudenken, bei denen Sauerstoffmangel eine Rolle spielt.

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