ELITE NETZWERK BAYERN

English  Sprachen Icon  |  Gebärdensprache  |  Leichte Sprache  |  Kontakt


Forschungsarbeit

Alzheimer im Aquarium – Wie Zebrafische bei der Demenz für Durchblick sorgen

Von Dominik Paquet (29.02.2012)

Alzheimer hat sich in den letzten Jahren zu einer echten Volkskrankheit entwickelt. In Deutschland gibt es momentan schon über eine Million Krankheitsfälle, weltweit sind mehr als 25 Millionen Menschen betroffen. Jedes Jahr kommen fast 5 Millionen neue Fälle hinzu. Der demographische Wandel in den alternden Industriegesellschaften führt gemeinsam mit der steigenden Lebenserwartung in den Entwicklungs- und Schwellenländern dazu, dass sich die Fallzahlen etwa alle 20 Jahre verdoppeln werden. Im Jahr 2040 rechnet man weltweit mit mehr als 80 Mio. Erkrankten, davon mehr als 2 Mio. in Deutschland.

Voraussichtliche Entwicklung der Alzheimerfälle in Deutschland bis 2050[Bildunterschrift / Subline]: Voraussichtliche Entwicklung der Alzheimerfälle in Deutschland bis 2050

Die Demenzerkrankung wurde erstmals vor gut 100 Jahren vom deutschen Psychiater Alois Alzheimer bei einer seiner Patientinnen diagnostiziert. Diese litt unter Orientierungsstörungen und einem dramatischen Gedächtnisverlust. Den eigentlichen Grund für ihre Beschwerden konnte der Arzt jedoch erst nach ihrem Tod feststellen, als er ihr Gehirn untersuchte. Dieses war deutlich geschrumpft, und ein großer Teil der Nervenzellen war abgestorben. Unter dem Mikroskop fand Alzheimer fädig erscheinende Ablagerungen aus Eiweißen, die wie Bündel verklebter Nudeln aussahen. Er nannte sie daher neurofibrilläre Bündel. Heutzutage werden die Bündel vorzugsweise mit dem englischen Begriff Tangles bezeichnet. Inzwischen hat man herausgefunden, dass die Tangles aus aneinander klebenden Molekülen des sogenannten Tau-Eiweißes bestehen. Die Anzahl der Tangles korreliert dabei eng mit dem Fortschreiten der Krankheit, was bereits vermuten lässt, dass das in ihnen abgelagerte Tau-Eiweiß für die Entstehung oder den weiteren Verlauf der Krankheit wichtig ist. Das Tau-Eiweiß befindet sich beim Menschen in allen Nervenzellen und zwar hauptsächlich in den langen Fortsätzen, mit denen die Nervenzellen Kontakt mit weiteren Zellen aufnehmen. Für die Funktion der Nervenzellen sind diese Zellfortsätze essentiell, sie sind gewissermaßen die Verbindungskabel, über welche die Zellen Informationen weiterleiten. Das Tau-Eiweiß stabilisiert die Mikrotubuli, das interne Gerüst dieser Fortsätze, ähnlich wie die Schwellen, welche Eisenbahnschienen miteinander verbinden. Bei Alzheimerpatienten verklumpt das Tau-Eiweiß zu den für Alzheimer typischen Tangles. Dies bewirkt einen Zusammenbruch der Transportschienen und damit des intrazellulären Stofftransports, wodurch die Nervenzelle schließlich stirbt.

Pathologische Veränderung der Nervenzellen bei Demenzerkrankungen[Bildunterschrift / Subline]: Pathologische Veränderung der Nervenzellen bei Demenzerkrankungen: In gesunden Nervenzellen stabilisiert Tau die Mikrotubuli. In Nervenzellen von Demenzerkrankten kann es diese Funktion nicht mehr ausüben, es fällt von den Mikrotubuli und aggregiert in der Zelle. Der Verlust von Tau destabilisiert die Mikrotubuli, was schließlich zu ihrem Zusammenbruch führt (modifiziert nach http://www.nia.nih.gov/Alzheimers/Resources/HighRes.htm).

Für Alzheimer gibt es bis heute keine Heilungsmöglichkeiten und es ist bisher unklar, wo die Ursachen der Krankheit liegen. Forscher möchten vor allem genauer verstehen, welche Faktoren am Absterben der Nervenzellen beteiligt sind, und wie man diesen schädlichen Prozess aufhalten kann. Leider kann man den Erkrankten nun aber nicht einfach den Schädel öffnen und mal reinschauen, was da gerade passiert. Um herauszufinden, was mit den Nervenzellen bei Alzheimer vor ihrem Untergang passiert, verwenden Wissenschaftler daher gentechnisch veränderte Tiermodelle. Hierbei handelt es sich um Versuchstiere, denen man mit molekularbiologischen Methoden ein defektes menschliches Gen eingesetzt hat. Dieses Gen bildet ein fehlerhaftes Eiweiß, beispielsweise das Tau-Eiweiß. Durch den Einbau eines solchen „Alzheimer-Gens“ kann die Erkrankung in diesen transgenen Tieren nachgebildet und erforscht werden. Zebrafische eignen sich aufgrund ihrer vielen praktischen Vorteile besonders für diese Forschung. Die Morphologie wichtiger Organe, wie zum Beispiel des Nervensystems, ist dem Menschen recht ähnlich. Außerdem besitzen Zebrafische alle wesentlichen Gene, die beim Menschen an der Ausbildung von Demenzerkrankungen beteiligt sind. Der größte Vorteil der Fischlarven ist aber ihr vollständig durchsichtiger Körper. Sie bieten die einzigartige Möglichkeit, Nervenzellen direkt in einem lebenden Tier zu untersuchen. Man könnte in einem Zebrafisch mit Alzheimer also den Krankheitsverlauf sozusagen live über einen längeren Zeitraum beobachten.

Fischlabor der LMU München: Viele Zebrafische lassen sich auf kleinem Raum halten.[Bildunterschrift / Subline]: Fischlabor der LMU München: Viele Zebrafische lassen sich auf kleinem Raum halten.
Erwachsener Zebrafisch: Ein Paar kann wöchentlich über 300 Nachkommen produzieren.[Bildunterschrift / Subline]: Erwachsener Zebrafisch: Ein Paar kann wöchentlich über 300 Nachkommen produzieren. (Foto: Mathias Teucke)
Zebrafischlarven sind vollständig durchsichtig: Unter dem Mikroskop kann man direkt wichtige Organe wie das Herz-Kreislaufsystem oder das Gehirn beobachten.[Bildunterschrift / Subline]: Zebrafischlarven sind vollständig durchsichtig: Unter dem Mikroskop kann man direkt wichtige Organe wie das Herz-Kreislaufsystem oder das Gehirn beobachten.

Das Ziel meiner Doktorarbeit war es daher, die weltweit ersten transgenen „Alzheimer“-Zebrafische herzustellen und als Tiermodell zu nutzen. Als ersten Schritt habe ich den Fischen das fehlerhafte menschliche Tau-Gen eingesetzt, um Krankheitssymptome auszulösen. Dabei war es besonders wichtig, dass das Gen zum rechten Zeitpunkt in den richtigen Zellen abgelesen und das defekte Eiweiß gebildet wird. Für diese Steuerung habe ich das Tau-Gen mit einer Steuerungseinheit aus dem Zebrafisch, einem sogenannten Promoter, versehen. Mit diesem wird sichergestellt, dass jede Zelle im Körper genau weiß, zu welchem Zeitpunkt und in welchen Geweben ein bestimmtes Gen aktiviert werden soll. Da man das Tau-Gen in den Fischen aber nicht direkt sehen kann, habe ich als drittes Bauteil noch ein Fluoreszenz-Gen aus einer Koralle hinzugefügt. Durch das Gen kann die Koralle im Dunkeln leuchten, ähnlich wie die weißen T-Shirts von Discobesuchern im UV-Licht. Dieser Effekt wird als Fluoreszenz bezeichnet. Diese genetisch bedingte Fluoreszenz brachte für die Arbeit mit den Fischen zwei wesentliche Vorteile: ich konnte die rot leuchtenden transgenen Fische konnten leichter identifizieren und bei höherer Vergrößerung direkt diejenigen Nervenzellen erkennen und beobachten, in denen das Alzheimer-Gen aktiv war. In den transgenen Fischlarven konnte ich schon nach wenigen Stunden die ersten krankhaften Veränderungen in den Nervenzellen nachweisen. Diese Veränderungen sind charakteristisch für die frühen Stadien von Alzheimer. In den transgenen Fischen begannen erste Nervenzellen abzusterben und auch die für Alzheimer typischen, aus verklumptem Tau-Eiweiß bestehenden Tangles entstanden.

Entwicklung Tau-transgener „Alzheimer-Fische“[Bildunterschrift / Subline]: Entwicklung Tau-transgener „Alzheimer-Fische“: Der Promoter eines Zebrafisch-Nervenzellgens wurde mit dem Tau- und dem Fluoreszenz-Gen im Reagenzglas kombiniert und in Fischeier injiziert. Der Promoter sorgt dafür, dass beide Gene in Nervenzellen transgener Fische aktiviert werden. Durch das rot leuchtende Fluoreszenz-Eiweiß kann man die „Alzheimer-Fische“ direkt in der Eihülle erkennen.
Alzheimer-Fisch in Großaufnahme: Das Nervensystem ist grün angefärbt, das „Alzheimer-Gen“ Tau in rot. In blau sieht man die ersten krankhaften Veränderungen der Nervenzellen in Gehirn und Rückenmark (pathologische Tau-Phosphorylierung).[Bildunterschrift / Subline]: Alzheimer-Fisch in Großaufnahme: Das Nervensystem ist grün angefärbt, das „Alzheimer-Gen“ Tau in rot. In blau sieht man die ersten krankhaften Veränderungen der Nervenzellen in Gehirn und Rückenmark (pathologische Tau-Phosphorylierung).

Damit war bewiesen, dass die „Alzheimer“-Zebrafische wesentliche neuropathologischen Merkmale der menschlichen Alzheimer-Erkrankung und einen typischen Krankheitsverlauf zeigen. Die Vorgänge in ihrem Organismus simulieren also im Schnelldurchlauf den jahrelangen Verfall im Gehirn von Alzheimerpatienten, wodurch sie sich optimal als Forschungsobjekt eignen.

Doch was passiert nun eigentlich genau mit den betroffenen Nervenzellen? Um deren Schicksal im Detail beobachten zu können, behandelte ich betäubte Zebrafischlarven mit einem Farbstoff, welcher spezifisch sterbende Zellen anfärbt. In den so gefärbten Fischen habe ich dann unter dem Mikroskop über mehrere Tage das Schicksal der Nervenzellen untersucht und auf Video dokumentiert. Als erster Forscher weltweit konnte ich mit diesem Experiment das Absterben der Nervenzellen in einem Tiermodell für Alzheimer verfolgen und im Detail studieren. Das Experiment stellt für das gesamte Feld der Alzheimerforschung einen massiven Durchbruch dar: Durch die direkte Beobachtung der Vorgänge, die zum Tod der Nervenzellen führen, kann dieser Krankheits-auslösende Prozess nun wesentlich besser verstanden werden. Dieses Wissen wird die Entwicklung neuartiger Therapien zur Behandlung von Alzheimerpatienten wesentlich vereinfachen.


Der neuronale Untergang: In den gentechnisch veränderten „Alzheimer-Fischen“ konnte erstmals das Absterben von Nervenzellen live beobachtet werden. Das Video zeigt zunächst eine Übersicht der lebenden Fischlarve unter dem Mikroskop, dann zoomt das Mikroskop ins Nervensystem bis auf die zelluläre Ebene. Hier kann man im Zeitraffer das Absterben von Nervenzellen beobachten: Eine zunächst intakte Nervenzelle (markiert mit Pfeil) verändert ihre Form und zerplatzt in mehrere Teile, die sich schließlich langsam auflösen.


In Zusammenarbeit mit einer großen Pharmafirma konnte ich abschließend nachweisen, dass man mit den Fischen auch direkt neue Therapien entwickeln kann. Hierfür erhielt ich von meinen Partnern einige neuartige Wirkstoffe, die sie mit Strukturmodellen von Enzymen, die krankhafte Veränderungen des Tau-Eiweißes bewirken, am Computer entwickelt hatten. Da Zebrafischlarven gelöste Substanzen unmittelbar aus dem Wasser aufnehmen, konnte ich die Wirkung der neuen Substanzen durch einfache Zugabe in die Petrischalen direkt am lebenden Tier testen. Einer der Wirkstoffe konnte die Alzheimersymptome der Fische tatsächlich lindern. Dieser Stoff könnte in Zukunft also möglicherweise zu einem Medikament weiterentwickelt werden. Durch die Einfachheit dieser Tests können mit den Zebrafischlarven in Zukunft noch viele weitere Wirkstoffe gefunden werden. Da die Fischlarven viel kleiner und entsprechend einfacher zu handhaben sind und wesentlich mehr Nachkommen produzieren als die bislang für solche Tests verwendeten Labormäuse, wird die Medikamentenentwicklung deutlich beschleunigt. Den kleinen Fischen steht in der Forschung damit noch eine große Zukunft bevor.

 


DFG Science TV - Suche nach Heilung

Videodokumentation zum Promotionsprojekt von Dominik Paquet: Alzheimerforschung in transgenen Zebrafischen.



Stationen
  • Seit 10/2011
  • Postdoc an der Rockefeller University, New York, USA bei Prof. Marc Tessier-Lavigne
  • 07/2009 – 08/2011
  • Postdoc am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen in München bei Prof. Christian Haass und an der TU München bei Prof. Thomas Misgeld
  • 04/2005-06/2009
  • Doktorarbeit am Lehrstuhl für Stoffwechselbiochemie der LMU München bei Prof. Christian Haass
  • 05/2004-02/2005
  • Diplomarbeit am Department of Biomedical Science, University of Sheffield, UK bei Dr. Henry Roehl
  • 1999-2004
  • Biologiestudium (Diplom) an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen