Die Wiederherstellung von Gehirnfunktionen nach einer Verletzung oder bei neurodegenerativen Krankheiten ist bis heute ein ungelöstes Problem der Neurowissenschaften und der Medizin. Die Regeneration im zentralen Nervensystem ist nur sehr begrenzt möglich, da der regenerierende Nervenfortsatz, das Axon, dabei auf Proteine stößt, die wachstumsblockierende Eigenschaften haben. „Außerdem weiß das regenerierende Axon anfangs nicht, in welche Richtung es wachsen muss, um das denervierte Zielgewebe zu erreichen und funktionell zu verschalten“, erklärt Rolf Heumann.
Das Bochumer Team konnte schon früher zeigen, dass die Aktivierung eines zentralen Signalwegs innerhalb von Nervenzellen, der durch membrangebundenes Ras-Protein ausgelöst wird, die Zellen einerseits vor Degeneration schützt und andererseits ein massives Faserwachstum bewirkt. Die Richtung dieses Faserwachstums wollten die Forschenden im aktuellen Projekt steuern. Dazu nutzten sie magnetische Nanopartikel, die sie in das Innere von Modell-Nervenzellen einschleusten. Die Aktivierung des Ras-Signalwegs lösten sie durch dauerhaft aktives Ras-Protein oder durch ein Ras-regulierendes Schalterprotein aus.
Nanopartikel mit Nadeln steuern
„Zunächst zeigten wir, dass wir durch magnetische Spitzen die eisenhaltigen Nanopartikel in der Zellflüssigkeit der Nervenzellen gezielt bewegen konnten“, beschreibt Fabian Raudzus. Der Gruppe ist es danach auch gelungen, das veränderte Schalterprotein für Ras im Inneren der Zelle an die Nanopartikel zu koppeln und magnetisch an die Zellmembran zu transportieren. Die so funktionalisierten Nanopartikel konnten die Forscherinnen und Forscher in den Nervenfortsatz einschleusen und an dessen Spitze anhäufen, wo die Wachstumsrichtung bestimmt wird. Die Kopplung zwischen Nanopartikel und Ras-Schalterprotein wurde durch Lichtstreuungsmessungen und andere mikroskopische Verfahren wie Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie nachgewiesen.
In der magnetischen Steuerung der funktionalisierten Nanopartikel in Nervenfasern sieht das Forschungsteam therapeutisches Potenzial: „Zur Behandlung der Parkinson-Krankheit etwa, bei der bestimmte dopaminerge Nervenzellen absterben, hat der japanische Forscher Prof. Dr. Jun Takahashi erst kürzlich die Transplantation von maßgeschneiderten Nervenzellen etabliert“, erläutert Heumann. „Langfristiges Ziel unserer Studie ist es, die Regeneration von transplantierten dopaminergen Nervenzellen durch funktionalisierte magnetische Nanopartikel im Gehirn zu fördern.“
Mehrere Millionen Nervenzellen versorgen
Dazu müssten die Nanopartikel in mehrere Millionen Nervenzellen eingebracht werden. In Modellzellen konnte das Team zeigen, dass mittels einer einfachen, auf mechanischem Druck basierten Methode, große Zellpopulationen gleichzeitig mit diesen magnetischen Nanopartikeln beladen wurden. Dadurch wurde die Induktion des Wachstums von Nervenfasern nicht gestört. „Obwohl wir noch weit von einer klinischen Anwendung entfernt sind, hoffen wir mit unseren Experimenten einen ersten Schritt zur Unterstützung der Regeneration von transplantierten dopaminergen Nervenzellen bei der Behandlung von Parkinson beitragen zu können“, so Rolf Heumann.
Die Arbeiten wurden von der Europäischen Union im Rahmen des Projekts Magneuron (Grant Agreement Number 686841) sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (INST 213/886-1 FUGG) gefördert.
Quelle: Ruhr-Universität Bochum
Originalpublikation: Fabian Raudzus et al., Magnetic spatiotemporal control of SOS1 coupled nanoparticles for guided neurite growth in dopaminergic single cells; Scientific Reports, 2020, DOI: 10.1038/s41598-020-80253-w
