Der sibirische Winkelzahnmolch kann Temperaturen von minus 50 Grad überstehen – denn seine Leber produziert das Frostschutzmittel Glyercin. So übersteht das Tier jahrelange Kälteperioden komplett tiefgefroren. Die Kryo-Forschung hat davon profitiert – eine Art künstliche Winterstarre scheint in greifbare Nähe zu rücken. (Bild: Redaktion/PiPaPu)
Kurzinfo: Kryokonservierung von Hirngewebe
• Hirngewebe durch Vitrifikation auf etwa minus 130 Grad gekühlt
• Wasser geht in glasähnlichen Zustand über statt zu kristallisieren
• Optimierte Mischung aus Konservierungsmitteln schützt Synapsen
• Experiment mit Hirnschnitten und komplettem Hippocampus der Maus
• Elektronenmikroskopie zeigt intakte Nanostruktur nach Auftauen
• Neuronen erzeugen wieder spontane elektrische Signale
• Nachweis von Langzeitpotenzierung als Lernmechanismus
• Methode könnte Medikamententests an eingefrorenem Gewebe ermöglichen
• Langfristige Vision künstliche Winterstarre für Medizin oder Raumfahrt
Das Einfrieren von biologischem Gewebe klingt nach Science-Fiction, ist aber längst Teil moderner Medizin. Embryonen oder Stammzellen lassen sich über Jahre konservieren. Beim Gehirn jedoch galt das bislang als nahezu unmöglich. Zu komplex, zu empfindlich, zu fein verzweigt ist das Netzwerk aus Nervenzellen und Synapsen. Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und des Uniklinikums Erlangen ist nun ein Schritt gelungen, der dieses Bild verändert: Sie konnten eine Hirnregion extrem tiefkühlen und nach dem Auftauen wieder elektrische Aktivität messen.
Die Ergebnisse wurden im Fachjournal PNAS veröffentlicht. Sie eröffnen neue Perspektiven für die Forschung an Gehirnerkrankungen und könnten langfristig sogar medizinische Anwendungen ermöglichen, die heute noch weit entfernt erscheinen.
Ein Tier aus dem Permafrost als Vorbild
Die Inspiration für die Studie stammt aus der Natur. Der sibirische Winkelzahnmolch kann extreme Kälte überstehen und teilweise jahrzehntelang im gefrorenen Zustand im Permafrost bis Minus 50 Grad überdauern. Sobald die Temperaturen auf ein Grad plus steigen, wird der extrem robuste Schwanzlurch wieder aktiv.
Ein entscheidender Trick liegt in der Biochemie: Das Reptil produziert Glyzerin, eine Art körpereigenes Frostschutzmittel. Es verhindert, dass sich beim Einfrieren zerstörerische Eiskristalle bilden.
Auch bei menschlichem Gewebe liegt hier das Hauptproblem.
„Die Bildung von Eiskristallen ist der Grund, warum extreme Kälte normalerweise so schädlich für Lebewesen ist“, erklärt Alexander German vom Uniklinikum Erlangen. Kristalle können Zellstrukturen mechanisch zerstören und empfindliche Gewebe irreversibel beschädigen.
Wenn Wasser zu Glas wird
In der modernen Kryobiologie versucht man deshalb, die Bildung von Kristallen zu verhindern. Stattdessen wird das Gewebe in einen sogenannten glasartigen Zustand überführt. Dieser Prozess wird Vitrifikation genannt.
Dabei werden Zellen mit speziellen Substanzen versetzt und anschließend stark abgekühlt.
„Dabei geht das Wasser in und zwischen den Zellen jedoch in einen glasähnlichen Zustand über.“
Das Material ist dann zwar fest, doch die Moleküle bleiben ungeordnet – anders als in einem Eiskristall. Dadurch bleiben Zellstrukturen im Idealfall intakt.
Bei Nervengewebe funktionierte dieses Prinzip bislang jedoch kaum. Selbst wenn einzelne Zellen überlebten, wurde das hochkomplexe Netzwerk aus Synapsen meist zerstört.
Ein besonders empfindliches Netzwerk
Das Gehirn besteht aus Milliarden Nervenzellen, die über winzige Kontaktstellen miteinander kommunizieren. Diese Synapsen bilden ein dichtes Geflecht, das für Denken, Erinnern und Lernen entscheidend ist.
Das Erlanger Team optimierte daher sowohl die Zusammensetzung der Konservierungsmittel als auch den Kühlprozess selbst. Ziel war es, die empfindliche Struktur möglichst unbeschädigt zu erhalten.
Der Test gelang zunächst mit dünnen Hirnschnitten. Anschließend konservierten die Forschenden sogar eine komplette Struktur des Mausgehirns: den Hippocampus. Diese Region spielt eine zentrale Rolle beim Speichern von Erinnerungen.
Elektrische Signale nach dem Auftauen
Nach dem Auftauen überprüfte das Team das Gewebe mit verschiedenen Methoden. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die feine Nanostruktur erhalten geblieben war.
„Wir konnten mit Elektronenmikroskopie-Aufnahmen nachweisen, dass die Nanostruktur des Gewebes sich durch den Einfrier-Vorgang nicht veränderte“, sagt German.
Noch bemerkenswerter war jedoch das funktionelle Ergebnis.
„Nach dem Auftauen bildeten sich im Hippocampus zudem wieder spontan elektrische Signale, die sich ganz normal über die neuronalen Netzwerke fortpflanzten.“
Die Nervenzellen tauschten also wieder Informationen aus – ein entscheidender Schritt, um die Funktion eines Gehirnnetzwerks zu bestätigen.
Lernen im wiederbelebten Gewebe
Besonders aufschlussreich war ein weiterer Befund. Die Forscherinnen und Forscher konnten im aufgetauten Gewebe die sogenannte Langzeitpotenzierung auslösen. Dabei werden häufig genutzte Synapsen stärker – ein zentraler Mechanismus für Lernprozesse.
„Für Lernvorgänge und die Speicherung neuer Gedächtnisinhalte ist dieser Mechanismus von zentraler Bedeutung“, sagt German.
Praktische Anwendungen könnten zunächst in der Forschung liegen. Gewebeproben aus Operationen – etwa bei Epilepsie – könnten langfristig konserviert und später für Medikamententests genutzt werden. Langfristig denkt das Team sogar weiter, so German: „Das könnte zum Beispiel eine Option für die Raumfahrt sein – oder für Menschen, die unter einer momentan unheilbaren Krankheit leiden.“
Originalpublikation:
Alexander German et al.:
Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification
in: PNAS 123 (10) e2516848123
DOI: 10.1073/pnas.2516848123
Über den Autor / die Autorin
- Die Robo-Journalistin H.O. Wireless betreut das Technik- und Wissenschafts-Ressort von Phaenomenal.net – sie berichtet mit Leidenschaft und Neugier über zukunftsweisende Erfindungen, horizonterweiternde Entdeckungen oder verblüffende Phänomene.
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