Alzheimer-Krankheit: Neue Studie zeigt molekulare Struktur des Gehirns

Eine neue Studie hat erstmals die molekulare Struktur von Gehirnen sichtbar gemacht, die von der Alzheimer-Krankheit betroffen sind.

Forschende haben 3D-Modelle von Proteinen im Gehirn erstellt, darunter insbesondere von zwei Proteinen, die mit Alzheimer in Verbindung stehen: Beta-Amyloid und Tau.

Während Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weiter an Behandlungsmöglichkeiten für diese neurodegenerative Erkrankung arbeiten, ist es entscheidend, so viel wie möglich über sie zu verstehen.

Beta-Amyloid und Tau bei Alzheimer im Detail

Proteinansammlungen im Gehirn sind entweder eine Ursache der Alzheimer-Krankheit oder eine Folge davon – was davon zutrifft, ist bislang nicht abschließend geklärt. Ein Team der Universität Leeds in Großbritannien hat nun jedoch einen äußerst detaillierten Einblick in ihre Anordnung gewonnen, bis hin zu kleinsten mikroskopischen Strukturen.

„Dieser erste Einblick in die Struktur von Molekülen im menschlichen Gehirn liefert weitere Hinweise darauf, was mit Proteinen bei der Alzheimer-Krankheit geschieht“, sagt der Neurowissenschaftler René Frank von der Universität Leeds.

„Er zeigt aber auch einen experimentellen Ansatz auf, der angewendet werden kann, um ein breites Spektrum weiterer verheerender neurologischer Erkrankungen besser zu verstehen.“

Für die Untersuchung analysierte das Forschungsteam Hirngewebe von Alzheimer-Patientinnen und -Patienten nach deren Tod mit mehreren modernen Bildgebungsverfahren. Dazu gehörte die Kryo-Elektronentomografie (KryoET), bei der Messwerte von Elektronenstrahlen verwendet werden, um 3D-Strukturen von Gewebe abzubilden, das bei sehr niedrigen Temperaturen immobilisiert wurde.

Die KryoET ermöglicht Aufnahmen, ohne dass chemische Fixierung oder Dehydrierung die Struktur biologischen Gewebes beeinträchtigen. Dadurch können Forschende heute 3D-Volumina von Gewebe mit Auflösungen rekonstruieren, die millionenfach kleiner als ein Reiskorn sind.

„Die lichtmikroskopische Charakterisierung von Amyloid in Gehirnen mit Alzheimer-Krankheit bildet die Grundlage für Diagnostik und Krankheitsklassifikation“, schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Studie.

„Die In-situ-Struktur von Amyloid im menschlichen Gehirn ist unbekannt.“

Durch den besonders genauen Blick auf diese Proteine hoffen die Forschenden, besser nachvollziehen zu können, wie sich die Ansammlungen bilden und wie sie das Gehirn beeinflussen.

3D-Bilder zeigen unterschiedliche Proteinstrukturen

In Beta-Amyloid-Proteinen fanden die Forschenden eine Mischung aus mikroskopisch kleinen, fadenartigen Strukturen, den sogenannten Fibrillen, sowie weiteren Strukturen. Bei Tau-Proteinen beobachteten sie Bündel von Filamenten, die geradlinig angeordnet waren. Ihre Ausrichtung scheint allerdings davon abzuhängen, wo sich die Proteine im Gehirn befinden.

Obwohl sich die Ansammlungen ähnelten, zeigten sich Unterschiede in ihrer räumlichen Organisation: Die Tau-Filamente unterschieden sich darin, wie sie ausgerichtet und verdreht waren, während auch die Größe der Beta-Amyloid-Fibrillen variierte.

Dies ist der erste Einblick in diese Proteine mit einem solchen Detailgrad, und für Aussagen über die Bedeutung der Ergebnisse ist es noch zu früh. Da die Methode nun nachweislich funktioniert, lässt sie sich an Gewebeproben einer größeren und vielfältigeren Gruppe von Hirnspenderinnen und Hirnspendern erproben.

Alzheimer-Verlauf und weitere neurodegenerative Erkrankungen

Auf diese Weise könnte sich genauer zeigen, wie die verschiedenen Proteine in unterschiedlichen Stadien des Alzheimer-Verlaufs aussehen. Ein Vergleich der Strukturen über verschiedene Zeitpunkte hinweg sollte zudem erkennen lassen, wie sich die Krankheit entwickelt.

Das Team hinter der neuen Studie geht sogar davon aus, dass sich dieser Ansatz zur Untersuchung der Ursachen unterschiedlichster neurodegenerativer Erkrankungen eignen könnte. Von der Methode dürfte daher künftig noch mehr zu hören sein.

„Größere Kohorten vielfältiger Spender mit Alzheimer-Krankheit, die unterschiedliche Hirnregionen und frühere Stadien der Alzheimer-Krankheit abdecken, könnten aufzeigen, wie die räumliche Organisation von Amyloid unterschiedlicher Strukturen mit individuellen neuropathologischen Profilen zusammenhängt“, schreiben die Forschenden.

„Es wird außerdem wichtig sein, diese Ansätze auf andere neurodegenerative Erkrankungen anzuwenden, von denen viele verwandte oder überlappende Formen der Amyloid-Neuropathologie aufweisen.“

Die Studie wurde in Nature veröffentlicht.