Tierexperimentelle Beobachtung: Schmerzrückbildung ist geschlechtsspezifisch

Laut neuen Erkenntnissen einer Würzburger Forschungsgruppe unterscheiden sich die Mechanismen der Schmerzrückbildung zwischen den Geschlechtern, obwohl die unmittelbare Reaktion auf eine Verletzung weitgehend gleich ist. 

Die Arbeitsgruppe von Prof. Robert Blum am Universitätsklinikum Würzburg (UKW) untersuchte das Spinalganglion (Dorsal Root Ganglion, DRG) bei Ratten nach einer Nervenverletzung sowie während der Schmerzrückbildung. Die Forschenden entdeckten, dass die Immunreaktionen bei weiblichen Tieren länger bestehen blieben. Bei den männlichen Tieren zeigten hingegen die Satellitengliazellen eine anhaltendere Aktivierung. In beiden Geschlechtern erfolgt die Schmerzrückbildung entgegen bisheriger Vermutungen ohne Verlust von Nervenzellen oder Gewebe. Überraschend war, dass hunderte Gene geschlechtsspezifisch reguliert waren.

„Was Schmerz ist und wie er entsteht, wissen wir schon recht gut. Aber wie löst er sich wieder auf? Was passiert genau im zentralen Knotenpunkt, dem Spinalganglion, wo die Schmerzsignale aus den verletzten peripheren Nerven empfangen und über das Rückenmark an das Gehirn weitergeleitet werden?“, fragt Blum. Der Molekular- und Zellbiologe der Neurologischen Klinik und Poliklinik des UKW hat sich mit seiner Arbeitsgruppe das DRG als Schlüsselstelle für die Schmerzverarbeitung genauer angeschaut. Konkret machte sein Team eine Bestandsaufnahme der molekularen und zellulären Ebenen im gesunden Zustand, in der akuten Schmerzphase und in der Resolution, also der Phase, in der sich der Schmerz auf natürliche Weise mindestens halbiert hat.

KI-gestützte Analyse der Spinalganglien

Für ihre Studie nutzten die Forschenden ein etabliertes Rattenmodell für neuropathische Schmerzen, das die Arbeitsgruppe seit vielen Jahren gemeinsam mit Prof. Heike Rittner, Inhaberin des Lehrstuhls für Schmerzmedizin, und Prof. Alexander Brack aus der Anästhesiologie, untersucht. In diesem Modell wird der Ischiasnerv verletzt. Anders als in vielen anderen Modellen bilden sich die Schmerzzeichen jedoch im Verlauf der Zeit wieder zurück.

Sieben Tage beziehungsweise fünf Wochen nach der Nervenverletzung entnahmen die Forschenden die DRGs. Jedes Ganglion wurde in mehr als 100 hauchdünne Gewebeschnitte zerlegt und die Nervenzellen, Satellitengliazellen sowie Makrophagen gezielt angefärbt. Anschließend wurden die Präparate mikroskopisch erfasst.

„Insgesamt hatten wir etwa 7500 vierkanalige Mikroskopiebilder, also rund 30.000 Einzelbilder der unterschiedlichen Zelltypen. Die kann natürlich kein Mensch objektiv auswerten“, sagt Blum. Daher kam hier eine Anwendung basierend auf Künstlicher Intelligenz (KI) ins Spiel, die die Arbeitsgruppe gezielt für die Analyse des DRG trainiert hatte. Das Verfahren basiert auf Deep Learning. Dabei werden künstliche neuronale Netzwerke auf Bildeigenschaften trainiert, um anschließend eine große Anzahl von Bildern objektiv auszuwerten.

So konnte die Arbeitsgruppe erstmals ein Gesamtbild davon erstellen, wie sich die Zellen rund um die Neurone in den Phasen verteilen, in denen der Schmerz am stärksten ist oder sich in der Auflösung befindet. Und dieses Gesamtbild sorgte für einige Überraschungen. Denn entgegen der langjährigen Annahme werden die Nervenzellen im DRG nicht aussortiert, sondern bleiben weitgehend erhalten. Stattdessen werden vor allem die Zellaktivität sowie die räumliche Anordnung der umliegenden Zellen dynamisch verändert- und das unterschiedlich bei weiblichen und männlichen Tieren.

Makrophagen wandern in der Schmerzphase zu den Neuronen hin

Makrophagen setzen beispielsweise in der akuten Schmerzphase entzündliche Botenstoffe frei, welche die Nozizeptoren leichter auf Reize reagieren lassen. Dadurch wird die Schmerzwahrnehmung erhöht. Zunächst wandern die Makrophagen ganz nahe an die Oberfläche der Neurone und verdrängen dabei die Satellitengliazellen, die dort eigentlich sitzen. Wenn sich der Schmerz auflöst, wandern die Immunzellen aus diesem interzellulären Raum wieder heraus.

Viele gehen davon aus, dass sich auch die Satellitengliazellen in eine Art makrophagenartige Immunzelle umprogrammieren. „Doch wir können in hoher Auflösung belegen, dass es sich um zwei verschiedene Zelltypen handelt. Die Makrophagen wandern in der Schmerzphase zwischen Neuron und Satellitenglia und wieder heraus. Dies kann sich jeder anschauen“, sagt Dr. Annemarie Sodmann. Die Neurobiologin und Mitautorin hat sich zur Expertin für die Auswertung komplexer Biologiedaten entwickelt und die vielen Bilder in einer öffentlich verfügbaren Streamlit-App veranschaulicht.

Bei Weibchen bleiben die Makrophagen länger aktiv

Eine weitere Überraschung zeigte sich bei der geschlechterspezifischen Auswertung. Es scheint, als würden Männchen und Weibchen den Schmerz biologisch unterschiedlich verarbeiten. Bei den männlichen Ratten sind die Makrophagen etwas flexibler und verschwinden schneller von der Neuronenoberfläche. Bei den weiblichen Ratten waren die Makrophagen hingegen auch nach fünf Wochen noch deutlich an den Neuronen zu sehen. Das heißt, die Immunantwort scheint beim Weibchen länger aktiv zu sein. Interessant ist jedoch, dass beide Geschlechter zum gleichen Endpunkt kommen: Der Schmerz löst sich zum gleichen Zeitpunkt auf, allerdings mit unterschiedlichen Mustern.

Bei Männchen hält Kontakt zwischen Satellitengliazellen und Neuronen länger an
Für Erstautorin Felicitas Schlott war der klare Unterschied in der glialen Reaktion die größte Überraschung. Beim DRG, im peripheren Nervensystem umschließen Satellitengliazellen die Zellkörper der sensorischen Neurone wie eine „Hülle“ und beeinflussen deren Aktivität. Das heißt, sie können die Schmerzsignale verstärken. In der akuten Schmerzphase war der Aktivierungsmarker der Satellitengliazellen (GFAP) ähnlich hoch bei den männlichen und weiblichen Tieren. Bei den Männchen hielt jedoch die Aktivierung länger an.

„Es gab zwar bereits Hinweise darauf, dass Immunparameter in beiden Geschlechtern unterschiedlich reguliert sind, doch diese ausgeprägte inverse Reaktion zwischen Makrophagen und Satellitengliazellen ist äußerst spannend“, sagt Dr. Felicitas Schlott, deren Dissertation auf dem Projekt fußte.

Differentiell exprimierte Gene bestätigen geschlechtsspezifische Programme

Um eine weitere Evidenz zu schaffen, bestimmte die Forschenden das komplette Transkriptom des DRG-Gewebes. „Die zentralen Mechanismen der Schmerzverarbeitung sind evolutiv konserviert und somit bei beiden Geschlechtern sehr ähnlich. Wir gehen davon aus, dass die beobachteten Unterschiede bei der Schmerzrückbildung auf subtile biologische Unterschiede zurückzuführen sind, beispielsweise auf die geschlechtsspezifische Zellverteilung im DRG oder die Regulation bestimmter Gengruppen“, erläutert Blum.

Während der akuten Schmerzphase waren die Gene, die während der Schmerzentwicklung massiv hochreguliert wurden, zwischen den Geschlechtern weitgehend ähnlich. In der Schmerzrückbildung nahmen diese Überlappungen jedoch ab und es zeigten sich neue, relevante Gene.

„Ich hätte nicht gedacht, dass einzelne Gene so durch die Decke gehen“, sagt Blum. „Demnach ist die Schmerzrückbildung keine Umkehr der Verletzung, also keine Rückkehr zum Originalzustand, sondern ein ganz neues genetisches und geschlechtsspezifisches Programm.“

Insgesamt zeige die Studie, so Schlott, dass das Geschlecht in der zellulären und molekularen Schmerzbiologie eine viel größere Rolle spiele als bislang angenommen. „Die ganz grundlegenden biologischen Ursachen dieser Unterschiede sind jedoch sowohl beim Menschen als auch bei Tieren viel zu wenig untersucht.“

Relevanz für zukünftige personalisierte Schmerzmedizin

Für die Schmerzforschung könnten die in der Fachzeitschrift „Cell Reports“ veröffentlichen Erkenntnisse ein Schritt sein, geschlechtsspezifische Unterschiede bei der Schmerzverarbeitung breiter zu betrachten. Denn die Bestandsaufnahme zeigt, dass die Schmerzrückbildung ein multizellulärer, multikategorialer und sexspezifischer Prozess ist, der interpretiert werden müsse.

Blum beschreibt die biologischen Prozesse bei der Auflösung von Schmerzen als ein selbstoptimierendes, vielleicht chaotisches Oszillieren vieler Faktoren, die alle zu einem Ziel führen. Er vergleicht diesen Prozess mit einem Bienenschwarm, bei dem das Flugmuster einer Biene zwar chaotisch aussieht, bei dem aber alle Bienen in eine Richtung fliegen. Es mache daher auch keinen Sinn, sich eine Biene oder einen Faktor herauszupicken und diesen auszuschalten, um die Auflösung voranzutreiben.

Nun gilt es zunächst zu prüfen, ob die in der Studie beschriebenen Veränderungen im DRG auch auf den Menschen übertragbar sind. Dazu sollen systemische Parameter aus Blutproben von Menschen mit dem Tiermaterial verglichen werden. Ein weiterer Schritt, den Sodmann mit der Gründung einer eigenen Arbeitsgruppe plant, ist die Übertragung dieser neuen Erkenntnisse in die Regenerativmedizin: Lässt sich die Auflösung von neuropathischen Schmerzen mit der Reparatur von Nervenschäden fördern? Und löst dies auch die geschlechtsspezifischen genetischen und zellulären Programme der Schmerzrückbildung aus?