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Wissenschaftler des Exzellenzclusters "Cells in Motion" machen akute Entzündungen im Gehirn bei der Multiplen Sklerose sichtbar

Forschung von der Maus zum Menschen / Veröffentlichung in "Science Translational Medicine"

Auf Patienten übertragen, was man zuvor in der tierexperimentellen Untersuchung festgestellt hat – das ist das große Ziel vieler in der Biomedizin arbeitender Wissenschaftler. Gelungen ist es Forschern des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ (CiM) der Universität Münster: Sie konnten erstmals akute Entzündungen im Gehirn bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS) bildgebend nachweisen. Dabei arbeiteten Experten verschiedener Disziplinen über mehrere Jahre in einer einzigartigen Form zusammen und kombinierten bildgebende Verfahren von der Mikroskopie bis zur Ganzkörperbildgebung.

Die Folgen einer Entzündung im Gehirn lassen sich bereits mit einem klinisch etablierten Verfahren, der Magnet-Resonanz-Tomographie, darstellen. Zusätzlich die Entzündung selbst sichtbar zu machen, könnte zukünftig dazu beitragen, bei Patienten mit Multipler Sklerose genauere Diagnosen zu stellen und Therapien besser überwachen sowie zielgerichteter einsetzen zu können. Die Studie ist aktuell in der anerkannten Fachzeitschrift „Science Translational Medicine“ erschienen.

Bild links: Die Wissenschaftler hatten in Studien mit Mäusen herausgefunden, dass bestimmte Enzyme, die Matrix-Metalloproteinasen (MMPs, grün dargestellt), Immunzellen (rot dargestellt) ermöglichen, die Blut-Hirn-Schranke zu überwinden, also die Wand der Blutgefäße im Gehirn (weiß dargestellt, im Querschnitt). Erst dann flammt die Entzündung auf. Bild Mitte: Mit einem fluoreszierenden Spürstoff markierten die Forscher die Enzyme. So konnten sie zunächst bei Mäusen auf entzündete Areale schließen. Bild rechts: Eine radioaktiv markierte Variante des Spürstoffs machte die Entzündung schließlich auch bei MS-Patienten sichtbar.
© E. Korpos (left) / H. Gerwien, A. Faust, L. Sorokin, M. Schäfers (centre) / Reprinted with permission from Gerwien & Hermann et al., Sci. Transl. Med. 8, 364ra152 (2016) 9 November 2016 (right)

Originalpublikation: Gerwien H*, Hermann S*, Zhang X, Korpos E, Song J, Kopka K, Faust A, Wenning C, Gross CC, Honold L, Melzer N, Opdenakker G, Wiendl H, Schäfers M*, Sorokin L*. Imaging Matrix Metalloproteinase Activity in Multiple Sclerosis as a Specific Marker of Leukocyte Penetration of the Blood-Brain Barrier. Science Translational Medicine, DOI: 10.1126/scitranslmed.aaf8020 (*equal contribution) Abstract

Von der Zelle zum Patienten – die Geschichte im Detail

Blutgefäß im Gehirn einer Maus im Querschnitt (Fluoreszenzmikroskopie). Immunzellen (Leukozyten, rot dargestellt) überwinden die Blut-Hirn-Schranke und wandern aus dem Blut ins Gehirn (auf den Bildern von innen nach außen). Bild links: Zunächst überwinden die Immunzellen eine Schicht aus Endothelzellen und eine Basalmembran (innere kreisförmige Struktur, weiß dargestellt). Bild rechts: Anders als andere Blutgefäße haben Gefäße im Gehirn noch eine weitere Basalmembran (äußere kreisförmige Struktur). CiM-Forscher haben herausgefunden, dass Enzyme, die Matrix­Metalloproteinasen (MMPs, grün dargestellt), an dieser zweiten Barriere aktiv werden und ermöglichen, dass die Immunzellen hindurchwandern. Erst dann flammt die Entzündung im Gehirn auf.
© Eva Korpos

Multiple Sklerose macht Patienten meist in Schüben erheblich zu schaffen. Bei dieser Autoimmunerkrankung richten sich Immunzellen – also Zellen des körpereigenen Abwehrsystems – gegen den Organismus, den sie eigentlich schützen sollen. Sie wandern ins Gehirn, verursachen dort Entzündungen und schädigen die Nervenfasern. Dazu müssen sie die sogenannte Blut-Hirn-Schranke überwinden, also die Wand der Blutgefäße im Gehirn. Diese Barriere grenzt das Nervengewebe vom Blutstrom ab und schützt es normalerweise vor Eindringlingen. CiM-Forscher untersuchen diese Vorgänge bei Mäusen mit „Experimenteller autoimmuner Enzephalitis“. Diese Erkrankung zeigt bei Mäusen einen ähnlichen Verlauf wie die Multiple Sklerose bei Menschen.

Bereits vor einigen Jahren fand die Arbeitsgruppe von CiM-Sprecherin Prof. Lydia Sorokin heraus, dass bestimmte Proteine entscheidend dafür sind, dass Immunzellen durch die Blut-Hirn-Schranke gelangen können. Es handelt sich um die Enzyme MMP-2 und MMP-9, Unterformen der Matrix-Metalloproteinasen (MMPs). Die Wissenschaftler suchten nun nach einem Markierungsverfahren, um die Aktivität der MMPs und die damit zusammenhängende Entzündung im Gehirn zuverlässig sichtbar zu machen.

Ein neuer Spürstoff

Chemiker und Nuklearmediziner aus der Arbeitsgruppe von CiM-Koordinator Prof. Michael Schäfers hatten schon länger an einem molekularen „Spürstoff“ gearbeitet, einem sogenannten Tracer. Diese chemische Substanz spürt die gesuchten Enzyme im Körper auf und bindet sich an sie. „Wir haben in Bezug auf die MMPs unheimlich viele Verbindungen synthetisiert und Daten gesammelt“, erklärt Chemiker Dr. Andreas Faust. Zunächst hatten die Forscher den Tracer vorrangig bei entzündlichen Gefäßerkrankungen wie der Arteriosklerose eingesetzt. Nun wollten sie ihn erstmals auch bei entzündlichen Erkrankungen des Zentralen Nervensystems anwenden.

Entzündung im Gehirn einer Maus (Fluoreszenz-Reflektions-Bildgebung).
© Hanna Gerwien, Andreas Faust, Lydia Sorokin, Michael Schäfers

Um die winzigen Strukturen im Organismus der Maus sichtbar zu machen, koppelten die Chemiker einen fluoreszierenden Farbstoff an den MMP-Tracer. Die Lichtsignale eines solchen Farbstoffs lassen sich mit optischen Verfahren messen. Dr. Hanna Gerwien injizierte den Tracer erkrankten Mäusen und untersuchte die Tiere mit Fluoreszenz-Reflektions-Bildgebung. Mit diesem Verfahren lassen sich im Nahinfrarotbereich fluoreszierende Tracer im lebenden Organismus nachweisen. Die Forscher stellten eine hohe Anreicherung des Tracers an bestimmten Stellen des Gehirns fest.

Um zu untersuchen, ob das Tracersignal mit der Veränderung der Blut-Hirn-Schranke und der damit verbundenen MMP-Aktivität korrelierte, entnahm Hanna Gerwien anschließend das Gewebe und untersuchte es unter dem Mikroskop. Das Ergebnis: Das Vorkommen der MMPs stimmte mit dem zuvor gemessenen Tracersignal überein. „Wir stellten fest, dass die Beobachtung der MMP-Aktivität präzise Informationen darüber liefert, wo Immunzellen die Blut-Hirn-Schranke durchwandern und wo Entzündungen im Gehirn vorkommen“, sagt Hanna Gerwien.

Erste Fallstudien bei Patienten

Im weiteren Schritt wollten die Wissenschaftler prüfen, ob sich die Methode auf den Menschen übertragen lässt. Den fluoreszierenden Tracer konnten sie aber nicht nutzen, denn seine Lichtsignale können die dickeren Gewebeschichten beim Menschen nicht durchdringen. Deshalb wandelten die Forscher den Tracer erneut um: Statt des Farbstoffs hängten sie einen radioaktiven Signalgeber an. Dessen Strahlung lässt sich mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) messen und sichtbar machen. Nuklearmediziner und Neurologen führten nun erste Fallstudien bei MS-Patienten durch. „Wir verglichen die Messungen mit dem traditionellen Verfahren der Magnet-Resonanz-Tomographie“, erklärt Privatdozent Dr. Nico Melzer, Neurologe am Universitätsklinikum Münster.

Entzündung im Gehirn eines Menschen vor Therapie (links) und nach Therapie (rechts), dargestellt mit kombinierter Positronen-Emissions-Tomographie und Magnet-Resonanz-Tomographie (PET-MRT).
© Reprinted with permission from Gerwien & Hermann et al., Sci. Transl. Med. 8, 364ra152 (2016) 9 November 2016

Die Ergebnisse waren eindrucksvoll: Der MMP-Tracer reicherte sich im menschlichen Gehirn an, und zwar schon bevor mit dem traditionellen Verfahren eine Schädigung der Blut-Hirn-Schranke zu sehen war. Die Forscher konnten belegen, dass auch beim Menschen MMPs aktiv sind, bevor Immunzellen die Blut-Hirn-Schranke durchwandern. „Es war schon etwas Besonderes, dass man bei einem Patienten untermauern konnte, was man zuvor in der tierexperimentellen Grundlagenforschung festgestellt hatte“, sagt Dr. Sven Hermann, Nuklearmediziner und Experte für Kleintierbildgebung. „Das ist doch der Wunsch eines jeden Wissenschaftlers.“ Auch die Erwartung, dass der Tracer sich nach anti-entzündlicher Therapie weniger anreicherte, wurde erfüllt.

Das Verfahren wird nicht in der klinischen Praxis angewendet. Bei der Untersuchung handelte es sich um eine Pilotstudie. Diese wurde vom Exzellenzcluster „Cells in Motion“, dem Sonderforschungsbereich 656 „Molekulare kardiovaskuläre Bildgebung“ und dem Sonderforschungsbereich TR-128 „Multiple Sklerose“ der Universität Münster unterstützt.