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In-vitro-Modelle für die Parkinson-Forschung

Das Absterben von Dopamin-produzierenden Nervenzellen ist als Auslöser der Parkinson-Krankheit bekannt, doch ist nicht eindeutig geklärt, wie es zu dieser selektiven Degeneration kommt. Dr. Stefan Schildknecht von der Universität Konstanz entwickelt darum menschliche Zellkultur-Modelle, mit denen bereits die frühen molekularen Vorgänge untersucht werden können, die bei einer Parkinson-Erkrankung ablaufen. Damit können auch neue Ansätze für die Parkinson-Therapie erforscht werden.

Dr. Stefan Schildknecht entwickelt an der Universität Konstanz In-vitro-Modelle, um die molekularbiologischen und biochemischen Grundlagen der Parkinson-Krankheit zu erforschen. © Stefan Schildknecht

Wenn bei Parkinson-Patienten Symptome wie langsame, eingefrorene Bewegungen, Muskelstarre und Muskelzittern auftreten, ist die Krankheit bereits weit fortgeschritten. Die selektive Degeneration von Dopamin-produzierenden Nervenzellen in einer bestimmten Region im Mittelhirn, der Substantia nigra, die die Krankheit charakterisiert, beginnt meist Jahrzehnte früher, ohne dass direkt Symptome auftreten. Erst wenn der Mangel an Dopamin so gravierend ist, dass die Substantia nigra ihre Rolle bei der Verarbeitung von Reizen an die Peripherie, zum Beispiel für eine Handbewegung, nicht mehr erfüllen kann, kommt es zur typischen Hemmung des Bewegungsapparates.

Die zentrale Frage in der Parkinson-Forschung, wie es zu dieser selektiven Degeneration der Dopamin-Neuronen in der Substantia nigra kommt, ist noch weitgehend unbeantwortet. Um den Ursachen der Erkrankung auf den Grund zu gehen, entwickelt Dr. Stefan Schildknecht, Biologe am Lehrstuhl von Prof. Dr. Marcel Leist an der Universität Konstanz, In-vitro-Modelle zur Untersuchung von molekularen Vorgängen, die bei Parkinson-Patienten ablaufen. „Für die Forschung wird zuerst ein geeignetes Modell benötigt, das die Situation im menschlichen Gehirn möglichst exakt nachvollziehen lässt“, erklärt er. Ein Modellsystem, an dessen Etablierung Schildknecht beteiligt war, sind die sogenannten LUHMES-Zellen (LUnd Human MESencephalic). Dabei handelt es sich um eine Zelllinie aus fötalen neuronalen Zellen, die immortalisiert wurden und in Kultur gezielt zu Neuronen mit dopaminergem Phänotyp differenziert werden können. „In nur einer Woche erhalten wir dabei eine homogene Kultur von menschlichen dopaminergen Neuronen, mit der molekularbiologische und biochemische Mechanismen der Parkinson-Erkrankung untersucht werden können“, erläutert Schildknecht.

LUHMES-Zellen im undifferenzierten Zustand als neuronale Vorläuferzellen (links) und als Netzwerk dopaminerger Neuronen nach der Differenzierung © Stefan Schildknecht

Alpha-Synuclein und oxidativer Stress - eine gefährliche Mischung

Mit Hilfe des LUHMES-Zellmodells versucht Schildknecht unter anderem, dem Protein Alpha-Synuclein (ASYN) und seiner Rolle in der Parkinson-Pathologie auf den Grund zu gehen. Das Protein ist ein wesentlicher Bestandteil von Aggregaten, den sogenannten Lewy Bodies, die im Gehirn von Parkinson-Patienten als charakteristisches Merkmal der Krankheit gefunden werden können. ASYN kommt zwar im gesamten Gehirn vor, ist aber besonders bei der Degeneration von Dopamin-Neuronen von Bedeutung, so dass sich die Frage stellt, welche Faktoren es gerade hier pathologisch werden lassen. „Aus der Literatur ist bekannt, dass oxidative Modifikationen die Aggregation und die Bindung von ASYN an Membranen beeinflussen können“, erklärt Schildknecht. Oxidative Modifikationen werden unter anderem durch freie Radikale verursacht, wie sie im Gehirn durch sogenannte Autoxidationsprozesse aus Dopamin entstehen.

Eine solche oxidative Modifikation ist die Nitrierung, also die Anknüpfung einer Nitrogruppe (NO2) an ein oder mehrere der vier Tyrosine in ASYN. „Im Gehirn kann die Nitrierung von ASYN meist im Zusammenhang mit einer Entzündungsreaktion beobachtet werden, wie sie regelmäßig in betroffenen Hirnregionen bei Parkinson-Patienten zu finden sind“, schildert er die Relevanz der Modifikation. Um den Effekt der Nitrierung auf die Aggregation von ASYN in vitro untersuchen zu können, stellt Schildknecht das Protein rekombinant her und behandelt es mit Peroxinitrit. „Das hat allerdings den Nachteil, dass die vier Tyrosine unterschiedlich stark nitriert werden und außerdem Peroxynitrit noch eine Reihe weiterer oxidativer Modifikationen in ASYN erzeugen kann, sodass der spezifische Effekt der Nitrierung nicht klar erkennbar ist“, erläutert Schildknecht. Er arbeitet darum an der Herstellung von ASYN mit exakt einer definierten Nitrierung ohne weitere oxidative Modifikationen. „Dazu verwenden wir eine unnatürliche Aminosäure, 3-Nitrotyrosin, die bei der Produktion von ASYN in Bakterien mit gezielt verändertem genetischen Code an der gewünschten Stelle eingefügt werden kann“, erklärt er.

Nitrierung als Ansatzpunkt für neue Therapien

Hanne Gerding, Dr. Christiaan Karreman (vorn) und Dr. Stefan Schildknecht (hinten) testen die Auswirkungen von Alpha-Synuclein-Modifikationen in Dopamin-Neuronen. © Stefan Schildknecht

Die gezielt modifizierten ASYN-Varianten sollen anschließend dazu eingesetzt werden, die Relevanz der Nitrierung für die Parkinson-Pathologie im Zellmodell zu erforschen. „Es gibt Hinweise darauf, dass nitriertes ASYN die Aggregation unmodifizierter ASYN-Moleküle fördert, indem es als Katalysator für den Prozess dient“, so Schildknecht. Um das zu testen, werden LUHMES-Zellen, die selbst bereits ASYN endogen exprimieren, mit rekombinant hergestelltem, nitriertem ASYN behandelt. Sollte sich der katalytische Effekt bestätigen, könnte eine gezielte pharmakologische Hemmung der Nitrierung im Gehirn das Fortschreiten der ASYN-Pathologie verlangsamen.

Als Kandidat für ein Medikament mit diesem Wirkmechanismus hat Schildknecht das Antibiotikum Minocyclin untersucht, welches im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen bei Patienten schon mehrmals eingesetzt wurde. „Mit rekombinantem ASYN konnten wir zeigen, dass Minocyclin ein sehr selektiver und potenter Hemmer der Tyr-Nitrierung ist, indem es sehr effizient mit Peroxynitrit interagiert“, erklärt Schildknecht. Auf der Suche nach neuen Medikamenten für die Parkinson-Therapie stellt die Inhibierung der Nitrierung damit einen vielversprechenden Ansatz dar.

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