Salzige Flüssigkeit spült regelmäßig durch das Gehirn, um Giftstoffe und Abfall zu beseitigen. Nach einem Schlaganfall überflutet diese Flüssigkeit das Organ und ertränkt seine Zellen.
Eine Schwellung im Gehirn, bekannt als Hirnödem, tritt nach einem Schlaganfall auf, wenn Wasser in die Gehirnzellen und den sie umgebenden Raum fließt. Jahrelang dachten Wissenschaftler, diese überschüssige Flüssigkeit stamme aus Blut, aber neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass das Wasser vollständig aus einer anderen Quelle stammt: der natriumreichen Liquor cerebrospinalis, die das Gehirn durchdringt. Diese Ergebnisse stammen sowohl von lebenden Mausmodellen als auch von menschlichem Gewebe.
Die Ergebnisse, die am 30. Januar in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, weisen auf mögliche Behandlungen hin, um Schwellungen im Gehirn zu unterdrücken und die Genesung der Patienten nach einem Schlaganfall zu verbessern.
Waschzyklus schief gelaufen
Schlaganfälle treten auf, wenn eine Blockade ein Blutgefäß im Gehirn verstopft oder ein Gefäß vollständig reißt. Ohne eine ausreichende Energieversorgung können Gehirnzellen nicht mehr überwachen, welche Partikel durch ihre Membranen gelangen. Innerhalb von Minuten schwellen die Neuronen wie überfüllte Wasserbälle an und beginnen kurzzuschließen, Schaden zu verursachen und zu sterben. Stunden später beginnt auch das dicht gewebte Gewebe, das die Blutgefäße im Gehirn, die Blut-Hirn-Schranke, auskleidet, zu versagen, und das gesamte Organ nimmt Wasser auf.
"Über 60 Jahre lang dachten die Menschen, diese Ansammlung von Flüssigkeit käme aus dem Blut", sagte der Studienleiter Dr. Humberto Mestre, Kliniker und aktueller Doktorand am Medical Center der Universität von Rochester ( URMC) Zentrum für translationale Neuromedizin. Aber das Hirnödem setzt ein, lange bevor die Blut-Hirn-Schranke zusammenbricht, und Mestre und seine Kollegen fragen sich, ob das Wasser tatsächlich von woanders kommt.
"Niemand hatte sich diese alternativen Flüssigkeitsquellen angesehen", sagte Mestre. Cerebrospinalflüssigkeit, die etwa 10% der in der Schädelhöhle von Säugetieren gefundenen Flüssigkeit ausmacht, sei ein vielversprechender Kandidat, fügte er hinzu.
Im Gehirn fließt Liquor cerebrospinalis durch das glymphatische System, ein Netzwerk von Schläuchen, das sich entlang von Pfaden windet, die von den Venen und Arterien des Organs herausgeschnitten wurden. Dies geht aus einem Bericht aus dem Jahr 2015 in der Zeitschrift Neurochemical Research hervor. Die Flüssigkeit fließt direkt außerhalb der Blutgefäße und wird von einem "Donut-förmigen Tunnel" aus Zellen an Ort und Stelle gehalten. (Stellen Sie sich ein Stück Draht vor, das eine Arterie darstellt und in einem Gummischlauch ruht, der wie der mit Flüssigkeit gefüllte Außentunnel wirkt.) Wenn sich die Muskeln entlang der Arterien zusammenziehen, wird die nahegelegene Liquor cerebrospinalis entlang ihrer Route gedrückt und nimmt Stoffwechselabfälle auf der Weg. Neben der Beseitigung des Mülls kann das glymphatische System auch dazu beitragen, Fette, Zucker und andere wichtige Verbindungen im Gehirn zu verteilen.
Obwohl es für ein gesundes Gehirn von entscheidender Bedeutung ist, geht das glymphatische System nach einem Schlaganfall durcheinander und treibt das Auftreten von Ödemen voran, wie Mestre und seine Co-Autoren herausfanden. "Die Cerebrospinalflüssigkeit ist tatsächlich der Haupttreiber der Schwellung direkt nach dem Schlaganfall", sagte Mestre.
Die Flut bleiben
Die Rolle der Liquor cerebrospinalis beim Schlaganfall entging den Wissenschaftlern teilweise jahrzehntelang, zum Teil, weil es keine Technologie gab, um einen Schlaganfall in Echtzeit zu beobachten, sagte Mestre.
Er und seine Co-Autoren kombinierten verschiedene Techniken, um die Veränderung des Flüssigkeitsflusses bei Mäusen mit Schlaganfall zu beobachten. Das Team spähte sowohl mit MRT als auch mit einem Zwei-Photonen-Mikroskop, das Licht und fluoreszierende Chemikalien verwendet, um lebende Gewebe abzubilden, in das Gehirn der Tiere. "Wir können uns im Grunde vorstellen, was die Cerebrospinalflüssigkeit während des Schlaganfalls tut", sagte Mestre. Durch Infusion der Flüssigkeit mit radioaktiven Partikeln konnten die Forscher auch feststellen, wie sich die Durchflussrate im Laufe der Zeit verändert hat.
Mit diesen Methoden stellte das Team fest, dass Ödeme das Gehirn der Maus "bereits 3 Minuten" nach dem Schlaganfall erfassen, lange bevor die Blut-Hirn-Schranke zu lecken begann, sagte Mestre. Wenn Gehirnzellen kurzschließen, spucken sie chemische Botenstoffe, die als Neurotransmitter und Kalium bekannt sind, in den Raum hinter ihren Membranen. In der Nähe befindliche Zellen reagieren auf den Zustrom von Chemikalien und schließen kurz. Während diese elektrischen Stürme durch das Gehirn fegen, ziehen sich die Muskeln in den Blutgefäßen zusammen und schaffen eine Raumtasche zwischen sich und dem umgebenden glymphatischen System. Salzige Liquor cerebrospinalis wird in das entstehende Vakuum gesaugt und zieht Wassermoleküle mit.
"Wo immer sich Natrium ansammelt, wird Wasser folgen", sagte Mestre. Das Team konnte beobachten, wie sich dieses Follow-the-Leader-Spiel in ausgewählten Bereichen des Gehirns abspielte, konnte jedoch den Wasserfluss im gesamten Organ nicht gleichzeitig verfolgen. Mithilfe eines Computermodells zur Simulation des gesamten glymphatischen Netzwerks konnten sie jedoch vorhersagen, wie verengende Blutgefäße den Wasserfluss nach einem Schlaganfall durch ein ganzes Maushirn treiben würden.
Um die Punkte zwischen Mäusen und Menschen zu verbinden, untersuchten die Autoren das Gehirngewebe von Patienten, die an einem ischämischen Schlaganfall gestorben waren, wobei ein Blutgerinnsel ein Blutgefäß im Gehirn blockiert. Das Gehirn von Mäusen und Menschen sammelte Flüssigkeit in denselben Regionen an, nämlich in Bereichen, durch die das glymphatische System läuft und Abfälle aufnimmt. Angesichts der starken Korrelation zwischen Tieren und Menschen "könnten diese Ergebnisse eine konzeptionelle Grundlage für die Entwicklung alternativer Behandlungsstrategien bilden", stellten die Autoren fest.
Das Team testete eine dieser Strategien an Mäusen, indem es einen Wasserkanal auf Astrozyten blockierte, Zellen im Gehirn, die dabei helfen, Wasser durch das glymphatische System zu leiten. Mäuse, denen der Kanal fehlte, entwickelten nach einem Schlaganfall langsamer Ödeme, was darauf hindeutet, dass eine ähnliche Behandlung bei menschlichen Patienten vielversprechend sein könnte. Zusätzlich zur Blockierung des Wasserflusses könnten zukünftige Behandlungen möglicherweise Ödeme verhindern, indem sie die Ausbreitung der durch Schlaganfälle verursachten elektrischen Aktivität im Gehirn verlangsamen, fügten die Autoren hinzu. Diese elektrischen Stürme blockieren das Gehirn noch Tage nach dem Schlaganfall und führen jedes Mal zu Ödemen.
Die schädlichen Wellen elektrischer Aktivität, die beim ischämischen Schlaganfall auftreten, treten auch zusammen mit "praktisch jeder Verletzung" auf, sagte Mestre. Die neue Studie weist darauf hin, dass das glymphatische System unter Bedingungen, bei denen Blutungen im und um das Gehirn, traumatische Hirnverletzungen und sogar Migräne auftreten, eine Rolle spielen kann, obwohl solche Verbindungen "rein spekulativ" bleiben. Eines Tages könnte das glymphatische System Ärzten eine völlig neue Strategie zur Behandlung akuter Hirnverletzungen bieten, sagte Mestre.
