Erstmals gelungen: Eingefrorenes Hirngewebe wieder funktionsfähig

Forschenden der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Uniklinikums Erlangen ist ein bedeutender Fortschritt in der Hirnforschung gelungen: Sie konnten Gehirngewebe durch extreme Tiefkühlung konservieren, sodass die Nervenzellen nach dem Auftauen wieder elektrische Signale austauschen. Die Studie, die in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht wurde, eröffnet neue Perspektiven für die medizinische Forschung und die Entwicklung von Medikamenten.

Inspiriert wurden die Wissenschaftler unter anderem vom sibirischen Salamander. Dieses Tier kann Berichten zufolge Temperaturen von bis zu 50 Grad unter dem Gefrierpunkt überstehen und Jahrzehnte im Permafrost überleben. Möglich macht das ein körpereigener „Frostschutz“: Die Leber produziert Glyzerin, das die Bildung schädlicher Eiskristalle verhindert. „Die Bildung von Eiskristallen ist der Grund, warum extreme Kälte normalerweise so schädlich für Lebewesen ist“, erklärt Alexander German von der Molekular-Neurologischen Abteilung am Uniklinikum Erlangen. „Denn die Kristalle können Zellen mechanisch schädigen und so die empfindliche Nanostruktur des Gewebes zerstören.“

Neuronales Gewebe bleibt intakt

Auch in der Medizin wird extreme Kälte bereits genutzt, etwa bei der Konservierung menschlicher Embryonen. Dabei kommen spezielle Chemikalien zum Einsatz, die Eiskristalle verhindern. „Zwar erstarrt das Gewebe ebenfalls, wenn es auf unter -130 Grad abgekühlt wird“, sagt German. „Dabei geht das Wasser in und zwischen den Zellen jedoch in einen glasähnlichen Zustand über.“ Dieses Verfahren heißt Vitrifikation. Für Nervengewebe galt es bislang jedoch als ungeeignet, da die verwendeten Substanzen toxisch wirken und das hochkomplexe Netzwerk aus Nervenzellen und Synapsen beschädigen können.

Dem Erlanger Forschungsteam ist es nun gelungen, sowohl die Zusammensetzung der Konservierungsmittel als auch den Abkühlvorgang so zu optimieren, dass das neuronale Gewebe intakt bleibt. Getestet wurde das Verfahren an Hirnschnitten sowie am Hippocampus eines Nagers, einer Hirnregion, die für das Gedächtnis besonders wichtig ist. Der Hippocampus wurde auf -130 Grad heruntergekühlt. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass sich die Nanostruktur des Gewebes dabei nicht veränderte. „Nach dem Auftauen bildeten sich im Hippocampus zudem wieder spontan elektrische Signale, die sich ganz normal über die neuronalen Netzwerke fortpflanzten“, so German.

Wieder funktionsfähig

Darüber hinaus konnte die Hirnforscherin Fang Zheng von der FAU nachweisen, dass auch die sogenannte Langzeitpotenzierung wieder ausgelöst werden kann. Dieser Prozess sorgt dafür, dass häufig genutzte Synapsen gestärkt werden. „Für Lernvorgänge und die Speicherung neuer Gedächtnisinhalte ist dieser Mechanismus von zentraler Bedeutung“, sagt German.

Die Methode könnte künftig vielfältig eingesetzt werden. So ließe sich Hirngewebe, das etwa bei Epilepsie-Operationen entnommen wird, über Jahre hinweg konservieren und später für Medikamententests nutzen. Auch für die Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen bietet die Kryokonservierung neue Möglichkeiten.

Langfristig denkt Alexander German sogar noch weiter: „Das könnte zum Beispiel eine Option für die Raumfahrt sein - oder für Menschen, die unter einer momentan unheilbaren Krankheit leiden“, sagt er. „Denn zu einem späteren Zeitpunkt gibt es vielleicht eine Therapie-Option, die der betroffenen Person helfen kann.“