Hirnzellen im Kälteschlaf

Wird Hirngewebe mit speziellen Schutzmitteln auf extreme Temperaturen gekühlt, zeigen sich nach dem Erwärmen normale Nervensignale. Mit dieser Methode kann man Demenz erforschen oder Herztransplantationen verbessern.

Es klingt nach Science-Fiction: Erst kühlt Dr. Alexander German von der Molekular-Neurologischen Abteilung am Uniklinikum Erlangen das Gehirn einer Maus in einer speziellen Flüssigkeit in wenigen Minuten auf minus 140 Grad ab. Nach dem Auftauen misst die an diesen Experimenten beteiligte Hirnforscherin Dr. Fang Zheng vom Institut für Physiologie und Pathophysiologie der FAU zwischen den Nervenzellen einen Austausch von Signalen, der den Prozessen im Gehirn lebender Tiere verblüffend ähnelt. „Offensichtlich funktionieren die Mechanismen nach wie vor gut, die beim Lernen und beim Gedächtnis eine entscheidende Rolle spielen“, sagt Alexander German.

Bei Kälte arbeiten Zellen langsamer

Auf das Forschungsgebiet der Kälte-Konservierung stieß der Mediziner, als er 2022 im Kantonsspital Zug in der Schweiz an der Reanimation eines Menschen beteiligt war, die nach langen 90 Minuten erfolgreich war. Noch deut-lich länger dauerte die Reanimation der schwedischen Ärztin Anna Bågenholm, die 1999 nach einem Unfall beim Skifahren unter zwanzig Zentimeter dickem Eis in einem extrem kalten Fluss feststeckte. Als sie achtzig Minuten später geborgen wurde, war sie klinisch tot: Ihre Pupillen waren völlig starr, sie atmete nicht mehr, der Blutkreislauf stand still, und die Körpertemperatur war auf 13,7 Grad Celsius gesunken. Fast drei Stunden nach ihrem Tod holte ein Team des Uniklinikums von Tromsø sie wieder ins Leben zurück. Wird ein Gehirn so lange nicht mit Sauerstoff versorgt, bleiben normalerweise schwerste Schäden zurück. Anna Bågenholm aber erholte sich fast vollständig und ist auch heute noch als Ärztin tätig.

„Offensichtlich hatte die rasche Abkühlung im eisigen Wasser sie gerettet“, erklärt Alexander German. Dabei spielen die Zellen des Organismus eine wichtige Rolle, weil sie bei tiefen Temperaturen viel langsamer arbeiten und weniger Energie brauchen. Gleichzeitig werden Prozesse ausgebremst, die das nicht mehr versorgte Gewebe zerstören. Diese Vorteile sind auch in der Zoologie bekannt: „Das Arktische Ziesel senkt seine Körpertemperatur für den Winterschlaf bis auf minus 2,9 Grad Celsius, ohne zu gefrieren“, sagt Alexander German. Da sich aus dem in den Zellen vorhandenen Wasser bei starken Minusgraden spitze Eiskristalle bilden, die das Gewebe schwer schädigen, hat die Evolution auch den Sibirischen Salamander mit einem speziellen Tiefkühlschutz ausgestattet: „Rechtzeitig vor dem großen Frost produziert die Leber dieser Amphibien ausreichend Glycerin, mit dessen Hilfe die Tiere sogar Temperaturen bis minus 55 Grad Celsius überleben“, sagt der FAU- Wissenschaftler.

In der Forschung verwendet man neben Glycerin auch Dimethylsulfoxid, das mit „DMSO“ abgekürzt wird. „Solche klassischen Kälteschutzmittel funktionieren zwar bei einzelnen Zellen sehr gut, versagen bisher aber bei komplexeren Geweben wie Nieren oder gar einem Gehirn“, erklärt Alexander German. Der Forscher verwendet deshalb eine Mixtur aus DMSO, Ethylenglykol und Formamid. „Wenn dieses Gemisch bei sehr tiefen Temperaturen erstarrt, bilden sich keine Eiskristalle, sondern es entsteht ein glasartiger Zustand – und im Gewebe tauchen keinerlei Gefrierschäden auf.“ Das könnte zum Beispiel Transplantationen deutlich erleichtern: Kann man Herzen derzeit nach dem Tod des Spenders nur vier bis sechs Stunden auf Eis aufbewahren, könnten sie kältekonserviert viele Monate oder sogar Jahre überstehen. Steht eine Operation an, könnten die Ärzte also aus einer großen Or-ganbank das Organ auswählen, das am besten zum Empfänger passt. „Bei Rattennieren funktioniert diese lange Lagerung im Experiment bereits erstaunlich gut“, sagt Alexander German.

Astronauten im Winterschlaf?

Schon jetzt ließen sich mit lebenden, kältekonservierten Hirnschnitten Alterungsprozesse und Demenzleiden besser erforschen und damit vielleicht auch besser therapieren. Auch für die Raumfahrt ist die Kältebiologie interessant: Astronauten könnten sehr lange Flugzeiten in einer Art Winterschlaf verbringen und erst am Ziel wieder aktiv werden. „Diskutiert werden Verfahren, mit denen Menschen gekühlt werden, allerdings auf Temperaturen deutlich über dem Gefrierpunkt“, sagt Alexander German. Die Forschung am Uniklinikum und an der FAU könnte also sogar helfen, einen Lagerkoller oder Schlimmeres bei einer Crew zu verhindern, die viele Monate lang auf engstem Raum ausharren muss.

Roland Knauer