Archiv der Kategorie: Wissenschaft

Auch Bakterien haben Feinde

Verteidigung um fast jeden Preis

Der Aufwand, den Bakterien für die Abwehr von Fressfeinden betreiben, ist so hoch, dass sie kaum noch in Nachkommen investieren können

 Das räuberische Wimperntierchen Tetrahymena thermophila ernährt sich von Bakterien. © L. Becks


Das räuberische Wimperntierchen Tetrahymena thermophila ernährt sich von Bakterien.
© L. Becks

Auch Bakterien haben Feinde – im Wasser ernähren sich zum Beispiel einzellige Wimperntierchen, die sogenannten Ciliaten, mit Vorliebe von den Mikroben. Diese schützen sich mit diversen Tricks vor den Räubern, welche die Ciliaten wiederum auszuhebeln versuchen. So entsteht ein evolutionärer Wettlauf um die besten Verteidigungs- und Angriffswaffen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön zufolge bleibt Beutetieren wie den Bakterien langfristig nichts Anderes übrig, als die Schutzmechanismen aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Aufwand dafür so hoch ist, dass sie kaum noch Nachkommen produzieren können.

Räuber und ihre Beute pflegen eine enge Beziehung zueinander: Verändert sich der eine, muss der andere dagegenhalten. Durch eine solche Koevolution und den damit einhergehenden Selektionsdruck kommt es zu einer wechselseitigen Anpassung der Arten.

Die Plöner Forscher um Lutz Becks haben in ihren Experimenten Bakterien und Wimperntierchen für viele Wochen zusammen gehalten und ihre Entwicklung verfolgt. Dabei haben sie beobachtet, dass sich die Mikroben vor der Gefräßigkeit der Ciliaten schützen, indem die normalerweise einzeln lebenden Bakterienzellen nach wenigen Tagen beginnen, in größeren Verbänden als schleimiger „Biofilm“ zu wachsen. So können sie von den Ciliaten nicht mehr so effektiv gefressen werden.

Teure Verteidigung

Solange die Wissenschaftler in ihren Versuchen und Computersimulationen nur den Bakterien Veränderungen erlaubten, konnten diese sich gut vor dem Gefressen werden schützen – und das mit überschaubarem Aufwand. Doch sobald sich auch die Wimperntierchen verändern durften, kam den Bakterien der Schutz teuer zu stehen: Sie produzierten dann nur noch wenige Nachkommen. „Die Feindabwehr ist also sehr kostspielig, denn je besser sich die Bakterien wappnen, umso schlechter vermehren sie sich“, sagt Becks.

Die Bakterien schaffen es demnach nicht, beides zugleich zu optimieren – ein typischer Fall eines evolutionären Kompromisses. Wie genau der Kompromiss ausfällt, hängt aber davon ab, ob sich der Räuber an die Abwehrmaßnahmen der Beute anpassen kann. Wenn ja, wird die Verteidigung für die Beute immer kostspieliger und für die Vermehrung bleibt kaum noch etwas übrig. Kann sich der Räuber dagegen nicht anpassen, muss sich die Beute weniger aufwendig zur Wehr setzen und kann mehr in die Nachkommenschaft investieren“, erklärt Becks.

Weniger Vielfalt

Die Forscher haben außerdem gezeigt, dass bei einem dynamischen Kompromiss die Vielfalt der Räuber abnimmt. Die Wimperntierchen entwickeln folglich weniger unterschiedliche Typen, um sich an Verbände und Biofilme der Bakterien anzupassen. „Das ist für die Beute natürlich günstig und könnte den Druck auf die Bakterien verringern“, so Becks.

Die Studie zeigt, dass mehr Vielfalt in der Beute überraschenderweise nicht immer mehr Vielfalt bei den Räubern bedeutet. Lutz Becks: „Entscheidend ist der Kosten und Nutzen von Merkmalen für die Beute und den Räuber. Wie unsere Experimente zeigen, können sich diese verschieben, je nachdem, ob die Räuber Zeit hatten, sich anzupassen oder nicht.“

Originalveröffentlichung

Weini Huang, Arne Traulsen, Benjamin Werner, Teppo Hiltunen, and Lutz Becks
Dynamical trade-offs arise from antagonistic coevolution and decrease intraspecific diversity.
Nature Communications; 12 December, 2017

Neuro-endokriner Reflex führt zu Infektionen

Verbindung zwischen Nerven- und Immunsystem: Neuro-endokriner Reflex führt zu Infektionen

Neuroendokriner_Reflex_5b3a1a342fWissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin konnten in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE), der Harvard Medical School in Boston und der Ohio State University in Columbus zeigen, dass die erhöhte Infektionsrate nach Rückenmarksverletzungen durch eine direkte Fehlsteuerung des geschädigten Nervensystems verursacht wird. Über einen neu entdeckten Reflexbogen kommt es zu einer gestörten Hormonfreisetzung in der Nebenniere, die die Abwehrkräfte des Organismus gegenüber Bakterien schwächt. Die in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Neuroscience veröffentlichten Ergebnisse sind wegweisend für die Entwicklung neuer Therapieansätze zur Reduktion von Infektionen.

Nach Verletzungen des Gehirns oder des Rückenmarks, beispielsweise durch einen Schlaganfall oder Unfall, kommt es zu einer bedeutenden Schwächung des Immunsystems, die häufig zu schweren Infektionen wie Lungenentzündungen oder Harnwegsinfekten führt. Dies wiederum erschwert die Regeneration des verletzen Nervengewebes und die Rehabilitation der betroffenen Patienten. Wie genau die Verletzung des Nervensystems zu den Infektionen führt und welche physiologischen Parameter verantwortlich sind, ist bisher nur sehr ungenau verstanden. Das Forscherteam um Privatdozent Dr. Harald Prüß von der Klinik für Neurologie der Charité und dem DZNE Berlin und um Prof. Dr. Dr. Jan M. Schwab, Leiter der Abteilung für Neuroparaplegiologie der Charité, konnten diesen Ablauf nun erstmalig entschlüsseln.

„Ausgangspunkt unserer Studie war die Vermutung, dass aus dem Rückenmark kommende Nervenbahnen einen direkten Einfluss auf die Funktion von Immunorganen wie Lymphknoten oder Milz haben“, erklärt Privatdozent Dr. Prüß. Er fügt hinzu: „Zu unserer Überraschung zeigte sich jedoch, dass diese direkte Ansteuerung nicht für die Fehlfunktion der Immunorgane verantwortlich ist und es stattdessen zu einer immunologischen Fehlsteuerung kommt, die den gesamten Körper betrifft.“

Die Wissenschaftler wiesen nach, dass das Nervensystem über die Hormonproduktion der Nebenniere einen indirekten Kommunikationsweg nutzt, der zu einem starken Abbau vieler Immunzellen führt. Im gesunden Organismus werden die Nebennieren vom Nervensystem sowie von übergeordneten Hormonzentren kontrolliert. Man ging bisher davon aus, dass eine Verletzung des Zentralnervensystems über die Hormonachse zur Freisetzung von Kortison in der Nebenniere führt, während eine traumabedingte Stressreaktion die Ausschüttung der Nebennieren-Hormone Adrenalin und Noradrenalin verursacht. „Unsere Daten zeigen, dass die Fehlfunktion der Nebenniere unter direkter Kontrolle des verletzten Nervengewebes steht“, ergänzt der Wissenschaftler und Neurologe. Dadurch komme es im Gegensatz zur gängigen Lehrmeinung infolge einer traumatischen Rückenmarkverletzung sogar zunächst zu einem Abfall der Stresshormone und zu einer gesteigerten Kortisonproduktion.

Die veränderten Hormonspiegel führten zu einem dramatischen Abbau vieler Immunzellen, insbesondere von Vorläuferzellen der T- und B-Zell-Reihen. Dadurch schrumpften Milz, Thymus oder Lymphknoten um teilweise 50 bis 80 Prozent ihrer Größe. Durch eine experimentelle Ausschaltung der Nebennieren ließ sich dieser massive Verlust von Immunzellen umkehren, allerdings waren die untersuchten Mäuse weiterhin anfällig für Infektionen. Wurde diesen Tieren hingegen Nebennieren-Gewebe auto-transplantiert, waren sie vor Infektionen geschützt. Die Nebennieren-Transplantate produzieren dabei die für den Körper notwendigen Hormone, stehen aber nicht mehr unter der dysfunktionalen Kontrolle des Nervensystems, wie sie sich sonst nach einer hohen Rückenmarkverletzung ausbildet.

Die Identifikation dieses zweiteiligen pathologischen Reflexbogens per Nervenbahnen vom Rückenmark zur Nebenniere und von dort über Hormonsignale zum Immunsystem, vertieft das Verständnis der Schnittstellen zwischen Nervensystem und Immunsystem fundamental. Die Entdeckung der Immunparalyse und der ihr zugrundeliegenden Mechanismen ist ein wichtiger Schritt hin zu einer besseren Behandlung von rückenmarkverletzten Patienten. Querschnittgelähmte Patienten leiden somit nicht nur an den offensichtlichen Lähmungen von Motorik und Sensibilität, sondern auch einer Lähmung des Immunsystems.

„In der Tat konnten umfassende Analysen der Kortison- und (Nor)Adrenalin-Spiegel bei Patienten zeigen, dass sie sich nach einer akuten Rückenmarkverletzung grundsätzlich ähnlich verhalten wie in den experimentellen Arbeiten“, erklärt Prof. Schwab. Damit könnte die therapeutische Normalisierung dieses neuro-endokrinen Reflexes eine wirksame Strategie sein, um die teils lebensbedrohlichen Infektionen nach einer Verletzung des Zentralnervensystems in den Griff zu bekommen.

*Harald Prüss, Andrea Tedeschi, Aude Thiriot, Lydia Lynch, Scott M. Loughhead, Susanne Stutte, Irina B. Mazo, Marcel A. Kopp, Benedikt Brommer, Christian Blex, Laura-Christin Geurtz, Thomas Liebscher, Andreas Niedeggen, Ulrich Dirnagl, Frank Bradke, Magdalena S. Volz, Michael J. DeVivo, Yuying Chen, Ulrich H. von Andrian, Jan M. Schwab (2017). Spinal cord injury-induced immunodeficiency is mediated by a sympathetic-neuroendocrine adrenal reflex, Nature Neuroscience. doi: 10.1038/nn.4643

Gehirnregion vermittelt Genuss am Essen

Nervenzellen der Amygdala verbinden Nahrungsaufnahme mit Belohnung

Nahrung dem Körper zuzuführen ist überlebenswichtig. Doch auch gesättigt kann es sich gut anfühlen etwas zu essen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie in Martinsried und des Friedrich Miescher Instituts in Basel haben nun einen Nervenzelltyp im Mandelkern des Gehirns charakterisiert, der bei Mäusen die Nahrungsaufnahme mit positivem Empfinden verbindet. Hatten sie die Wahl, entschieden sich die Tiere diese Nervenzellen im Mandelkern des Gehirns zu aktivieren. Künstliche Aktivierung dieser Nervenzellen erhöhte die Nahrungsaufnahme der Tiere, auch wenn diese nicht hungrig waren. Die Neurobiologen zeigen die neuronale Verschaltung, die diesem Verhalten zu Grunde liegt, und eröffnen die Möglichkeit, dass es auch im menschlichen Gehirn Zellen mit ähnlicher Funktion gibt.

Nervenzellen vom Typ HTR2a in der Amygdala der Maus sind während des Essens aktiv (Ausschläge in den Aktivitätskurven), wodurch die Nahrungsaufnahme gefördert wird. Die Aktivitätskurven einzelner Nervenzellen sind in verschiedenen Farben dargestellt. © MPI für Neurobiologie / Douglass & Kucukdereli

Die Amygdala, oder Mandelkern, des Gehirns spielt eine entscheidende Rolle bei emotionalen Reaktionen, der Entscheidungsfindung und der Assoziation von Ereignissen zum Beispiel mit Angst oder Freude. Dass diese Hirnregion auch etwas mit Nahrungsaufnahme zu tun hat, ist erst seit wenigen Jahren bekannt. Wissenschaftler des California Institute of Technology zeigten, dass die Aktivierung bestimmter Nervenzellen der Amygdala (bekannt als PKC-delta Zellen) Mäuse dazu brachte, das Fressen einzustellen. „Wenn die Tiere zum Beispiel etwas Verdorbenes fressen, bringen diese Zellen sie dazu, das Fressen schnellst möglichst einzustellen“, erklärt Rüdiger Klein, Direktor am Max-Planck-Institut für Neurobiologie. „Diese Studie zu den ‚Magersuchtneuronen‘ der Amygdala hat mich fasziniert“, so Klein. „Als dann drei Doktoranden mit ganz unterschiedlichen methodischen Hintergründen zu mir kamen, habe ich ihnen das Amygdala Projekt ans Herz gelegt. Sie sollten herausfinden, ob es in der Amygdala auch Nervenzellen gibt, die die Nahrungsaufnahme positiv beeinflussen.“ Mit dieser Aufgabe konzentrierten sich die Wissenschaftler auf einen möglichen Kandidaten: Nervenzellen des Typs HTR2a.

Mit ihren Schwerpunkten in Verhaltensbiologie, Elektrophysiologie und Anatomie analysierten die drei Doktoranden die Funktion der HTR2a-Zellen aus verschiedenen Blickwinkeln. „Das war ein echtes Kooperationsprojekt“, berichtet Amelia Douglass, eine der drei Erstautoren der Studie. „Wir haben uns immer wieder zusammengesetzt, sind Ergebnisse durchgegangen und haben darauf aufbauend neue Methoden angewandt.“ So entdeckten die jungen Wissenschaftler nach und nach die Aufgaben und Verschaltung der bis dahin unerforschten HTR2a-Zellen. „Zusammengefasst haben wir gezeigt, dass die HTR2a-Zellen die Nahrungsaufnahme bei Mäusen positiv beeinflusst, und dass die Tiere es mögen, wenn diese Zellen aktiv sind“, so Amelia Douglass.

Die künstliche Aktivierung der HTR2a-Zellen des Mandelkerns hatte auch den Effekt, dass die Tiere länger fraßen – dieser Effekt war besonders ausgeprägt, wenn die Mäuse satt waren. In einem anderen Versuchsaufbau konnten die Mäuse die HTR2a-Zellen durch einen Lichtleiter selbst aktivieren, indem sie mit ihrer Schnauze einen Lichtschalter betätigten. „Es war ganz eindeutig, dass die Tiere aktive HTR2a-Zellen mochten, denn sie waren vom Lichtschalter kaum noch wegzubekommen“, so Hakan Kucukdereli, der zweite Erstautor. „Als wir spezifisch die HTR2a-Zellen ausschalteten oder am Feuern hinderten, fraßen die Mäuse immer noch regelmäßig und nahmen unterm Strich auch nicht an Gewicht ab aber sie schienen die Lust am Essen verloren zu haben.“ So fraßen die Tiere immer nur eine kurze Zeit, selbst wenn sie etwas besonders Leckeres bekamen oder hungrig waren.

Zusammen mit ihren Kollegen vom Friedrich Miescher Institut in Basel konnte das Team zeigen, dass die Aktivität der HTR2a-Zellen erst dann ansteigt, wenn die Tiere zu fressen beginnen, und nicht bereits wenn die Tiere signalisiert bekommen, dass die Futterausgabe unmittelbar bevorsteht. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die HTR2a-Zellen anhaltende Nahrungsaufnahme fördern, indem sie den Wert der Nahrung wie Geschmack und Appetitlichkeit positiv beeinflussen. Wie wichtig die HTR2a-Zellen für die positive Bewertung von Nahrungseigenschaften sind, zeigte auch ein weiterer Versuch: Allein durch das Aktivieren der HTR2a-Zellen konnten die Forscher die Tiere so konditionieren, dass sie einen zuvor wenig beliebten Geschmack bevorzugten.

HTR2a-Zellen scheinen also den „Wert“ der Nahrung zu erhöhen. In ihrer Netzwerkanalyse zeigten die Wissenschaftler, dass die HTR2a-Zellen über Synapsen mit den benachbarten PKC-Delta-Zellen verbunden sind und sich die beiden Zelltypen gegenseitig hemmen. Die Neurobiologen gehen davon aus, dass beide Zelltypen Teil eines Regelmechanismus sind. „Frisst ein Tier etwas Schlechtes, werden die PKC-Delta-Zellen aktiv, dadurch die HTR2a-Zellen gehemmt und die Nahrungsaufnahme eingestellt“, berichtet Marion Ponserre, die dritte Erstautorin. „Frisst das Tier dagegen etwas Leckeres, werden die HTR2a-Zellen aktiv, dadurch die PKC-Delta-Zellen gehemmt, und die Nahrungsaufnahme wird mit Belohnung gekoppelt.“ „Unsere Ergebnisse legen diese Zusammenhänge nahe, doch es gibt auch noch eine ganze Reihe ungeklärter Fragen“, so Rüdiger Klein. „Wir haben hier auf jeden Fall einen guten Ausgangspunkt um Verbindungen zwischen Nahrungsaufnahme, emotionalen Zuständen und dem Belohnungssystem zu untersuchen.“ Zudem vermuten die Forscher, dass Fehlfunktionen in diesen Amygdala-Schaltkreisen zu extremem Essverhalten führen könnte. „Es ist wahrscheinlich, dass es im menschlichen Gehirn ähnliche Zellen und Schaltkreise gibt, sodass dies vielleicht auch ein Forschungsansatz zur Hilfe für Menschen mit entsprechendem krankhaften Essverhalten sein könnte.“

Schmerzmedikamente ohne gefährliche Nebenwirkungen

Charité-Wissenschaftler entdecken neues Wirkprinzip

Berlin, 02.03.2017 Wissenschaftler der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben einen neuen Weg zur Entwicklung von Schmerzmedikamenten gefunden. Anhand von Computersimulation konnte das Forscherteam Interaktionen an Opioidrezeptoren, den Andockstellen für Schmerzmedikamente, analysieren. Im Tiermodell ermöglichte der Prototyp eines morphinähnlichen Moleküls tatsächlich eine starke Schmerzstillung in entzündetem Gewebe. Gesundes Gewebe reagierte hingegen nicht auf den Wirkstoff. Schwerwiegende Nebenwirkungen, wie bislang bei Opioiden bekannt, können so vermieden werden, berichten die Forscher im aktuellen Fachmagazin Science*.

Opioide sind starke schmerzstillende Substanzen. Sie kommen insbesondere bei Schmerzen durch Gewebeverletzungen und Entzündungen, beispielsweise nach Operationen, Nervenverletzungen, Arthritis oder Tumorerkrankungen, zum Einsatz. Häufige Nebenwirkungen können dabei Benommenheit, Übelkeit, Verstopfung und Sucht, in einigen Fällen sogar Atemstillstand sein. „Wir sind davon ausgegangen, dass die Analyse der Interaktionen zwischen Wirkstoffen und Opioidrezeptoren in verletztem Gewebe, im Gegensatz zu gesundem Gewebe, zum Design von neuen Schmerzmitteln ohne schädliche Nebenwirkungen genutzt werden kann“, erklärt Prof. Dr. Christoph Stein, Direktor der Klinik für Anästhesiologie mit Schwerpunkt operative Intensivmedizin am Campus Benjamin Franklin den neuen Ansatz. Durch innovative Computersimulation in Zusammenarbeit mit Privatdozent Dr. Marcus Weber vom Zuse-Institut Berlin konnten die Forscher morphinähnliche Moleküle und deren Interaktion mit Opioidrezeptoren analysieren. Dabei ist es ihnen gelungen, einen neuen Wirkmechanismus zu identifizieren, der eine Schmerzstillung ausschließlich in entzündetem Gewebe, also dem erwünschten Zielort, erzielt.

Postoperativer Schmerz und chronischer Entzündungsschmerz ließe sich auf diese Weise ohne Nebenwirkungen behandeln und die Lebensqualität von Patienten entscheidend verbessern. „Im Gegensatz zu konventionellen Opioiden zeigt unser Prototyp NFEPP eine Bindung und Aktivierung von Opioidrezeptoren ausschließlich in saurem Milieu und hemmt somit Schmerz nur in verletztem Gewebe, ohne Atemdepression, Benommenheit, Suchtpotenzial oder Verstopfung hervorzurufen“, so Dr. Viola Spahn und Dr. Giovanna Del Vecchio, Erstautorinnen der Studie. Der Wirkstoff-Prototyp NFEPP ist von den Wissenschaftlern entworfen, synthetisiert und experimentell getestet worden. Unter anderem in Computermodellen wurde eine erhöhte Protonenkonzentration, also eine Ansäuerung wie im Fall einer Entzündung, simuliert. „Es hat sich gezeigt, dass die Protonierung von Wirkstoffen eine entscheidende Voraussetzung für die Aktivierung von Opioidrezeptoren ist“, resümieren die Autoren. Eine Erkenntnis, die auf andere Schmerzarten ebenso übertragen werden könnte. Anwendungen in weiteren Gebieten der Rezeptorforschung sind gleichfalls denkbar, so dass nicht nur Schmerzmittel, sondern auch andere Therapeutika wirksamer und verträglicher werden könnten.

*V. Spahn, G. Del Vecchio, D. Labuz, A. Rodriguez-Gaztelumendi, N. Massaly, J. Temp, V. Durmaz, P. Sabri, M. Reidelbach, H. Machelska, M. Weber, C. Stein. A nontoxic pain killer designed by modeling of pathological receptor conformations. Science. 2017 March 3. doi: 10.1126/science.aai8636.

Schaukasten zur Brain Awareness Week 2017

Vom 13. bis zum 15. März .2017 wird eine Ausstellung zu den Neurowissenschaften in der Freiburger Universitätsbibliothek gezeigt

Schaukasten zur Brain Awareness Week 2017

Die Forschung zum menschlichen Gehirn wird kontrovers diskutiert. Aber welchen Nutzen hat sie wirklich? Bei einer weltweiten Aktionswoche, die auf neurowissenschaftliche Themen aufmerksam machen will, zeigen das Exzellenzcluster BrainLinks-BrainTools und das Bernstein Center Freiburg in der Universitätsbibliothek Freiburg einen Schaukasten zum aktuellen Forschungsstand. Auf zwei Stockwerken erhalten die Besucherinnen und Besucher an verschiedenen interaktiven Stationen einen Einblick in den Arbeitsalltag von Freiburger Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern.

  • Was: Ausstellung
  • Wann:
    13.03.2017,10:30-16:00 Uhr
    14.03.2017, 9:30-16:00 Uhr
    15.03.2017, 9:30-21:00 Uhr
  • Wo:
    Foyer (EG) und Konferenzraum (1.OG)
    Universitätsbibliothek Freiburg
    Platz der Universität 2
    79098 Freiburg
  • Die Veranstaltung richtet sich an alle Interessierten.
  • Veranstalter: BrainLinks-BrainTools und Bernstein Center Freiburg
  • Der Eintritt ist frei.

Warum wir alt aussehen – oder eben nicht

Dem Alter kann man kein Schnippchen schlagen

Menschen altern unterschiedlich: Der eine bemerkte schon im Studium das erste graue Haar, der andere wirkt noch als Rentner jugendlich-sportlich. Doch was sind die Gründe dafür? Wie lässt sich das biologische Alter einer Person bestimmen und welche Rückschlüsse ergeben sich daraus für den weiteren Alterungsprozess? Um den Antworten auf diese Fragen näher zu kommen, hat Professor Dr. Alexander Bürkle fünf Jahre lang die Gesundheitsdaten von 3.300 Probanden im Alter von 35 bis 74 Jahren protokolliert. Ein Datenschatz, der noch unter vielen anderen Gesichtspunkten Erkenntnisse liefern wird. In drei Jahren wissen wir mehr – so hoffen die Wissenschaftler.

„Um wahrzunehmen, dass Menschen unterschiedlich altern, muss man kein Wissenschaftler sein“, so Professor Bürkle. Jeder kenne aus seinem Bekanntenkreis Männer oder Frauen, denen man ihr kalendarisches Alter nicht ansehe. „Kürzlich war ich beim Klassentreffen zur Feier von 40 Jahren Abitur. Dort traf ich einige Schulkameraden, die deutlich älter wirkten. Es gab aber auch eine Mitschülerin, die man für zehn bis 15 Jahre jünger gehalten hätte.“ Warum nur? Was ist der Jungbrunnen? Was lässt andersherum einen Menschen rasant altern? Diese Fragen beschäftigen Bürkle, der Molekulare Toxikologie im Fachbereich Biologie an der Universität Konstanz lehrt, seit vielen Jahren. Was er mit Sicherheit sagen kann: „Man kann dem Alter kein Schnippchen schlagen bezüglich Gesundheit und kognitiver Fähigkeiten!“

Rund 400 Biomarker auf Aussagekraft untersucht

Woran es aber liegt, dass einige bis ins hohe Alter rege und von gravierenden Krankheiten verschont bleiben, während andere schon in mittleren Jahren deutlich verbraucht wirken – hierauf hat die Forschung bisher keine eindeutigen Antworten gefunden. Einzelne Biomarker, die Auskunft über das tatsächliche biologische Alter einer Person und ihren weiteren Alterungsprozesses geben könnten, erwiesen sich in der Vergangenheit als nicht haltbar.

Dies könnte sich jetzt ändern! Gefördert von der EU-Kommission, haben sich 26 Arbeitsgruppen aus 14 Ländern an der multizentrischen Studie MARK-AGE beteiligt. Fünf Jahre lang wurden die Gesundheitsdaten von rund 3.300 Probanden im Alter von 35 bis 74 Jahren protokolliert.

Besonders spannend: Unter den Teilnehmern befanden sich die Nachkommen von Personen, die zuvor an dem so genannten GEHA-Projekt (Genetics of Healthy Aging) beteiligt waren. Damalige Probanden mussten mindestens 90 Jahre alt und überdurchschnittlich gesund sein sowie Geschwister vorweisen, die gleichermaßen langlebig und fit waren. „Uns interessierte, ob man bei diesen ‚genetisch begünstigten‘ Menschen schon im mittleren Lebensalter eine Verlangsamung des Alternsprozesses feststellen kann“, so Bürkle. „Denn es deutet alles darauf hin, dass Altern eine Mischung aus Genetik und Umwelteinflüssen ist.“

Knapp drei Jahre dauerte die Erstauswertung der Daten bisher. Rund 400 Biomarker wurden auf ihre Aussagekraft geprüft. Die zehn relevantesten wird Professor Bürkle auf dem größten deutschsprachigen Kongress für Altersmedizin in Stuttgart Anfang September vorstellen. Bis dahin will er noch nichts zu den Ergebnissen der Studie verraten. „Aber das ist nur der Anfang“, ist er überzeugt. „Das ist ein Datenschatz, der noch unter vielen anderen Gesichtspunkten Erkenntnisse liefern wird.“

Zur Person:

Prof. Dr. Alexander Bürkle

Prof. Dr. Alexander Bürkle

Prof. Dr. Alexander Bürkle studierte Medizin an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, wo er auch promovierte. Von 1984 bis 2000 war er am Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg tätig. Die Habilitation erfolgte 1995 an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg. Von 2000 bis 2002 war er Senior Lecturer am Department of Gerontology an der University of Newcastle upon Tyne in Großbritannien. Seit 2002 lehrt er Molekulare Toxikologie im Fachbereich Biologie an der Universität Konstanz.
Bürkle ist unter anderem Vorstandsmitglied der Deutschen Gesellschaft für Toxikologie und Mitglied des Fachkollegiums Medizin der Deutschen Forschungsgemeinschaft. 2011 wurde er mit dem GT-Toxicology-Preis für seine Forschung zur biochemischen Wirkung des Enzyms „Poly[ADP-Ribose]Polymerase“ (PARP), das die Erbgutreparatur beeinflusst, ausgezeichnet.

Die Deutsche Gesellschaft für Geriatrie (DGG) ist die wissenschaftliche Fachgesellschaft der Ärzte, die sich auf die Medizin der späten Lebensphase spezialisiert haben. Sie wurde 1985 gegründet und hat augenblicklich rund 1.700 Mitglieder.
Die Deutsche Gesellschaft für Gerontologie und Geriatrie (DGGG) unterstützt Gerontologen und Geriater aktiv in der Alternsforschung und alle in diesem Arbeitsfeld beteiligten Berufsgruppen bei der praktischen Umsetzung der Ergebnisse.

Herausgeber:
Deutsche Gesellschaft für Geriatrie e.V., Kunibertskloster 11–13, 50668 Köln – vertreten durch den Kongresspräsidenten Prof. Dr. Jürgen M. Bauer
Deutsche Gesellschaft für Gerontologie und Geriatrie, Seumestr. 8, 10245 Berlin – vertreten durch die Kongresspräsidentin Prof. Dr. Susanne Zank
Key Visual erstellt unter Verwendung eines Bildes von Werner Dieterich, Stuttgart-Marketing GmbH.

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Jahreskongress der DGG (Deutsche Gesellschaft für Geriatrie) und der DGGG (Deutsche Gesellschaft für Gerontologie und Geriatrie) in Stuttgart

7. bis 10. September 2016

Prof. Dr. Alexander Bürkle
Keynote-Lecture: „Die Messung des biologischen Alters beim Menschen – Ergebnisse des EU FP7 Projektes MARK-AGE “
Vortragssprache: Deutsch
Freitag, 09.09.2016
09.45 – 10.30 Uhr
Haus der Wirtschaft (Bertha-Benz-Saal)

Wie Giftstoffe zelluläre Wegweiser aktivieren

Ein Durchfallerreger verändert die Oberfläche von Darmzellen so, dass sich Bakterien besser ansiedeln können

Bakterielle Giftstoffe bilden Zellausläufer und benutzen dabei Septine als Wegweiser. Bild: Carsten Schwan

Bakterielle Giftstoffe bilden Zellausläufer und benutzen dabei Septine als Wegweiser. Bild: Carsten Schwan

Die Einnahme von Antibiotika schädigt oft die natürliche Darmflora. Diese kann infolgedessen krankmachende Keime nicht mehr in Schach halten; Durchfall und Darmentzündungen können entstehen. Zu den Erregern gehört der Keim Clostridium difficile, der Darmzellen durch Giftstoffe angreift. Das Bakterium bewirkt unter anderem, dass sich ein feines Netzwerk aus Zellausläufern auf der Oberfläche von Darmzellen bildet, wodurch sich weitere Bakterien besser ansiedeln können. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Dr. Klaus Aktories und Dr. Carsten Schwan vom Pharmakologischen Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg hat gezeigt, wie der Giftstoff CDT von C. difficile-Bakterien diese Zellausläufer bildet. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ihre Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) veröffentlicht. „Indem wir das CDT-Toxin untersuchen, können wir besser verstehen, wie Darmentzündungen durch die Krankheitserreger entstehen und sich entwickeln“, sagt Aktories. „Zudem können wir grundlegende physiologische Prozesse aufklären, indem wir das Toxin als Werkzeug nutzen.“

Besonders angriffslustige Bakterien der Spezies C. difficile stellen Gifte her, die das Zellgerüst von Darmzellen zerstören. Dadurch werden Kontakte zwischen Darmzellen und ihre Schrankenfunktionen gehemmt, was zu  typischen Durchfällen und Entzündungen führt. Zwei wichtige Bestandteile des Zellgerüstes sind Aktin und Mikrotubuli, die eine zentrale Rolle bei der Erhaltung der Zellform, der Schrankenfunktion und bei zellulären Bewegungsvorgängen spielen. Das CDT-Toxin von C. difficile verändert Aktin und blockiert dadurch dessen Kettenbildung, was seine normale Funktion stört. Eine Folge davon ist, dass sich Mikrotubuli-Ketten leichter bilden und derart vermehren, dass zahlreiche Zellausläufer entstehen. Diese bilden ein Netzwerk auf der Darmzell-Oberfläche und fördern den Kontakt der Bakterien mit der Wirtszelle.

Wie CDT diese Zellausläufer bildet, war bislang nicht bekannt. Die Freiburger Wissenschaftler haben gezeigt, dass der Einfluss des Giftstoffes auf das Zusammenspiel der beiden Gerüstproteine Aktin und Tubulin von einem dritten Baustein abhängt, den Septinen. In einer menschlichen Zelle gibt es bis zu 13 verschiedene Septine, die miteinander wechselwirken und sich zu Ketten, Ringen oder Bändern verbinden können. Dieser Prozess nennt sich Polymerisation. CDT verändert das Aktin so, dass die Septine nicht mehr an Aktin binden können und stattdessen an die Zellmembran wandern. Hier bilden sie trichterartige Septinpolymere, die in die Mikrotubuli – röhrenförmige Proteinstrukturen – hineinwachsen. Septine stehen mit der Spitze von wachsenden Mikrotubuli in direkter Wechselwirkung und funktionieren so als ein Wegweiser für das Wachstum dieser Strukturen.

Die Untersuchungen der Freiburger Arbeitsgruppe ermöglichen darüber hinaus Einblicke in die Entstehung der Septin-Trichter. Die Proteine Cdc42 und Borg regulieren den Transport der Septine an die Membranen und sind eine Voraussetzung dafür, dass sich die Trichter bilden. Eine ähnliche Funktion wie bei der Ausläuferbildung, die das Toxin CDT bewirkt, haben Septine im Nervensystem des Menschen bei der Bildung von Nervenausläufern, den Neuriten. Auch hier kommt es zu einem Zusammenspiel von Aktin, Mikrotubuli und Septinen, wobei mikroskopisch ähnliche Strukturen gebildet werden. Die Untersuchung des Toxins gibt daher Aufschluss über grundlegende Abläufe im menschlichen Körper.

Klaus Aktories ist Direktor der Abteilung I am Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie der Albert-Ludwigs-Universität sowie Mitglied des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies. Carsten Schwan ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Aktories.

Originalpublikationen:
Thilo Nölke, Carsten Schwan, Friederike Lehmann, Kristine Østevold, Olivier C. Pertz, and Klaus Aktories (2016). Septins guide microtubule protrusions induced by actin-depolymerizing toxins like Clostridium difficile transferase CDT. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.1522717113

Is There a Link Between Oral Health and the Rate of Cognitive Decline?

Better oral hygiene and regular dental visits may play a role in slowing cognitive decline as people age, although evidence is not definitive enough to suggest that one causes the other. The findings, published in the Journal of the American Geriatrics Society, come from the first systematic review of studies focused on oral health and cognition—two important areas of research as the older adult population continues to grow, with some 36% of people over age 70 already living with cognitive impairments.

Researchers have questioned whether an association exists between oral health and cognitive status for older adults. “Clinical evidence suggests that the frequency of oral health problems increases significantly in cognitively impaired older people, particularly those with dementia,” said Bei Wu, PhD, of Duke University’s School of Nursing in Durham, NC. “In addition, many of the factors associated with poor oral health—such as poor nutrition and systemic diseases like diabetes and cardiovascular disease—are also associated with poor cognitive function.”
To look for a link between oral health and cognitive status, Dr. Wu and her colleagues analyzed relevant cross-sectional (data collected at one specific point in time) and longitudinal (data collected over an extended period of time) studies published between 1993 and 2013.

Some studies found that oral health measures such as the number of teeth, the number of cavities, and the presence of periodontal disease (also known as “gum disease”) were associated with an increased risk of cognitive decline or dementia, while others studies were unable to confirm any association. Researchers were also quick to note that findings based on the number of teeth or cavities are conflicting, and limited studies suggest that periodontal conditions such as gingivitis are associated with poorer cognitive status or cognitive decline.

“There is not enough evidence to date to conclude that a causal association exists between cognitive function and oral health,” said Dr. Wu. “For future research, we recommend that investigators gather data from larger and more population representative samples, use standard cognitive assessments and oral health measures, and use more sophisticated data analyses.”

Access the full study on the Wiley Press Room here. (To access PDFs and embargoed stories you must be logged in to the Press Room before clicking the link. Request a login here.)
Full citation: ”Association Between Oral Health and Cognitive Status: A Systematic Review.” Bei Wu, Gerda G. Fillenbaum, Brenda L. Plassman, and Liang Guo. Journal of the American Geriatrics Society; Published Online: April 1, 2016 (DOI: 10.1111/jgs.14036).

URL Upon Publication: http://doi.wiley.com/10.1111/jgs.14036

Author Contact: Michael Evans, director of the communication office at Duke University’s School of Nursing, at michael.evans2@duke.edu.

About the Journal
The Journal of the American Geriatrics Society is a comprehensive and reliable source of monthly research and information about common diseases and disorders of older adults. For more information, please visit http://wileyonlinelibrary.com/journal/jgs.

About the American Geriatrics Society
Founded in 1942, the American Geriatrics Society (AGS) is a nationwide, not-for-profit society of geriatrics healthcare professionals dedicated to improving the health, independence, and quality of life of older people. Its nearly 6,000 members include geriatricians, geriatric nurses, social workers, family practitioners, physician assistants, consulting pharmacists, and internists. The AGS and its Health in Aging Foundation provide leadership to healthcare professionals, policymakers, and the public by implementing and advocating for programs in patient care, research, professional and public education, and public policy. For more information, visit americangeriatrics.org and www.healthinaging.org.
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Hirnstimulation zur Behandlung von Parkinson

Geschlossener Regelkreis, geringere Nebenwirkung

Anpassungsfähige Stimulation könnte Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie Parkinson deutlich entlasten

Gehirnaktivität

Ein Gerät zeichnet die Gehirnaktivität eines Patienten auf und passt dadurch die Stärke der Stimulation an dessen individuelle Bedürfnisse an. Quelle: Gunnar Grah/BrainLinks-Braintools

Könnten beim Einsatz tiefer Hirnstimulation zur Behandlung von Parkinson potenzielle Nebenwirkungen mithilfe eines so genannten geschlossenen Regelkreises vermieden werden, der sich individuell an die Symptome der Patientin oder des Patienten anpasst? Mit dieser Frage beschäftigen sich der Neurowissenschaftler Dr. Ioannis Vlachos und seine Kollegen Taskin Deniz, Prof. Dr. Arvind Kumar und Prof. Dr. Ad Aertsen in einer aktuellen Studie, die in der Fachzeitschrift „PLoS Computational Biology“ erschienen ist.

Der Ansatz der Wissenschaftler des Bernstein Centers Freiburg und des Exzellenzclusters BrainLinks-BrainTools an der Albert-Ludwigs-Universität könnte die Entwicklung neuer Methoden bei der Behandlung von Parkinson um einen entscheidenden Schritt voranbringen: „Es gibt derzeit nur zwei etablierte Therapieansätze bei dieser Erkrankung. Entweder man verabreicht Medikamente oder man wendet die Tiefenhirnstimulation an“, erklärt Vlachos. Bei der letzteren wird eine Elektrode in das Gehirn des Patienten implantiert, die kontinuierlich Stimulationssignale aussendet. Das bezeichnen Forscherinnen und Forscher als offenen Regelkreis. „Im Prinzip funktioniert diese Methode ähnlich wie ein Herzschrittmacher“, sagt Vlachos. Die Symptome von Parkinson sind jedoch nicht konstant. Den Freiburger Wissenschaftlern zufolge sei es deswegen nicht effizient, durchgehend mit demselben Signal zu stimulieren.

„Beim geschlossenen Regelkreis passt die Elektrode die Stimulation an die momentanen Symptome des Patienten an. Wir hoffen, damit mögliche Nebenwirkungen wie Gang- oder Sprachstörungen zu vermeiden, die bei der konventionellen Behandlung mit Tiefenhirnstimulation entstehen können“, erläutert Vlachos.

Bei dem neuen Ansatz wird die Gehirnaktivität aufgezeichnet und an ein neuroprothetisches Gerät übermittelt. Das Stimulationssignal kann dadurch kontinuierlich angepasst werden. Das Steuergerät überwacht pausenlos jene Gehirnaktivitäten, die eine Parkinson’sche Erkrankung auszeichnen. Die gewonnenen Daten bestimmen die Intensität der Stimulation. Ist eine stärkere Stimulation notwendig, sendet das Gerät stärkere Signale aus. Nimmt die Aktivität ab, wird auch das Signal schwächer. Sind die Gehirnaktivitäten normal, bleibt das Gerät inaktiv. „Dies sorgt darüber hinaus für eine längere Lebensdauer der Batterie sowie für größere Wartungsintervalle und erhöht so die Lebensqualität der Patienten“, berichtet der Forscher.

Auch bei der Behandlung anderer Erkrankungen des Gehirns wie Epilepsie oder Schizophrenie könnte der Ansatz Anwendung finden. Zudem halten die Forscher die Entwicklung von Methoden für möglich, die ohne Implantat auskommen, etwa die transkranielle Stimulation. Dabei wird das Gehirn von außen stimuliert, ohne dass es notwendig ist, ein Loch in den Schädel zu bohren und eine Elektrode in das Gehirn einzusetzen.

Die Methode könnte laut Vlachos auch neue Erkenntnisse zu grundsätzlichen neurowissenschaftlichen Fragen ermöglichen: „Wenn beispielsweise Tiere ihre Aufmerksamkeit auf einen bestimmten Reiz richten, erhöhen sich die Oszillationen in der Hirnaktivität. Mithilfe unseres Verfahrens können wir die Stärke dieser Schwingungen verändern und somit überprüfen, ob und wie die Aufmerksamkeit durch solche Oszillationen des Netzwerkes beeinflusst wird.“ Nachdem nun Computersimulationen erste Ergebnisse geliefert haben, planen die Forscher im nächsten Schritt, die Methode an Tiermodellen zu überprüfen, bevor sie auch beim Menschen zum Einsatz kommen kann.

Originalveröffentlichung:
Vlachos I, Deniz T, Aertsen A, Kumar A (2016) Recovery of dynamics and function in spiking neural networks by closed-loop control. In: PLoS Computational Biology, http://dx.doi.org/10.1101/030189.

Wie frei ist der Wille wirklich?

Berliner Wissenschaftler prüfen Grundmuster von Entscheidungen

 

Proband im Hirnduell gegen den Computer, Copyright Charité, Carsten Bogler.

Proband im Hirnduell gegen den Computer, Copyright Charité, Carsten Bogler.

Unser Wille ist freier als bislang angenommen. In computergestützten Experimenten haben Hirnforscher der Charité – Universitätsmedizin Berlin Entscheidungsabläufe am Beispiel von Bewegungen untersucht. Die entscheidende Frage: Lassen sich Prozesse im Gehirn wieder stoppen, wenn sie einmal angestoßen sind? Die Forscher kommen zu dem Schluss: Ja, bis zu einem gewissen Punkt, dem „point of no return“. Die Ergebnisse der Studie sind im aktuellen Fachmagazin PNAS* veröffentlicht.

Hintergrund der neuen Untersuchungen: Spätestens seit den 1980er Jahren diskutieren Hirnforscher, Psychologen, Philosophen und Öffentlichkeit über die Bewusstheit und Vorbestimmtheit menschlicher Entscheidungen. Seinerzeit studierte der amerikanische Forscher Benjamin Libet Hirnprozesse von Probanden, während sie einfache freie Entscheidungen fällten. Er zeigte, dass das Gehirn Entscheidungen bereits unbewusst vorwegnahm. Noch bevor sich eine Person willentlich entschieden hatte, war ein sogenanntes „Bereitschaftspotenzial“ in ihren elektrischen Hirnwellen zu erkennen.

Wie aber kann es sein, dass das Gehirn vorab weiß, wie sich ein Proband entscheiden wird, obwohl es diesem selbst noch gar nicht bewusst ist? Die Existenz der vorbereitenden Hirnwellen galt bis dato oft als Beleg für den sogenannten „Determinismus“. Demnach ist der freie Wille eine Illusion – unsere Entscheidungen werden durch unbewusste Hirnmechanismen erzeugt und nicht durch unser „bewusstes Ich“ gesteuert. Die Forscher um Prof. Dr. John-Dylan Haynes vom Bernstein Center for Computational Neuroscience der Charité haben die Thematik gemeinsam mit Prof. Dr. Benjamin Blankertz und Matthias Schultze-Kraft von der Technischen Universität Berlin neu aufgerollt. Mit aktuellen Messtechniken sind sie der Frage nachgegangen, ob Menschen geplante Bewegungsabläufe stoppen können, nachdem das Bereitschaftspotential für eine Handlung ausgelöst worden ist.

„Unser Ziel war herauszufinden, ob mit dem Auftreten der frühen Hirnwellen eine Entscheidung automatisch und unkontrollierbar erfolgt, oder ob sich der Proband noch umentscheiden, also ein ‚Veto’ ausüben kann“, erklärt Prof. Haynes. Dazu haben die Wissenschaftler Probanden in ein „Hirnduell“ mit einem Computer geschickt und während des Spiels die Hirnwellen per Elektroenzephalographie abgeleitet. Ein speziell „trainierter“ Computer versuchte anhand der Hirnwellen vorherzusagen, wann sich ein Proband aufgrund von Anreizen bewegen würde und sollte den Probanden überlisten: Sobald die Hirnwellen Anzeichen dafür gaben, dass sich der Proband in Kürze bewegen würde, wurde das Spiel zugunsten des Computers manipuliert.

Wenn es Probanden möglich ist, aus der Falle der Vorhersagbarkeit ihrer eigenen Hirnprozesse zu entkommen, wäre dies ein Anzeichen dafür, dass sie über ihre Handlungen noch weit länger Kontrolle haben, als bisher angenommen. Genau das konnten die Forscher nun aufzeigen: „Die Probanden sind den frühen Hirnwellen nicht unkontrollierbar unterworfen. Sie waren dazu in der Lage, aktiv in den Ablauf der Entscheidung einzugreifen und eine Bewegung abzubrechen“, sagt Prof. Haynes. „Dies bedeutet, dass die Freiheit menschlicher Willensentscheidungen wesentlich weniger eingeschränkt ist, als bisher gedacht. Dennoch gibt es einen Punkt im zeitlichen Ablauf von Entscheidungsprozessen, ab dem eine Umkehr nicht mehr möglich ist, den ‚point of no return’.“ In weiteren Studien werden die Berliner Wissenschaftler komplexere Entscheidungsabläufe untersuchen.

*Matthias Schultze-Kraft, Daniel Birman, Marco Rusconi, Carsten Allefeld, Kai Görgen, Sven Dähne, Benjamin Blankertz and John-Dylan Haynes. Point of no return in vetoing self-initiated movements. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Dec. 2015. doi/10.1073/pnas.1513569112.