Wie sich Gehirnzellen bei Ernährungsumstellung anpassen
Wenn wir unsere Ernährung ändern oder erkranken, muss sich unser Gehirn darauf einstellen. Flexibel adaptiert es seinen Energiestoffwechsel an die veränderten Bedingungen und sorgt so dafür, dass unser Denkorgan funktionsfähig bleibt. Forschende am Max-Planck-Institut (MPI) für Multidisziplinäre Naturwissenschaften haben jetzt herausgefunden, dass sich die wichtigsten Zelltypen im Gehirn deutlich in ihrer Fähigkeit unterscheiden, ihren Stoffwechsel auf veränderte Einflüsse einzustellen.
Max-Planck-Institut23.9.20224"
Dass unser Gehirn so leistungsfähig ist, verdankt es verschiedenen zellulären Spezialisten, die zusammenarbeiten und miteinander kommunizieren. Rund 86 Milliarden Nervenzellen im Gehirn steuern Verhalten und Gefühle, verarbeiten Sinneseindrücke, lassen uns eine Sportart ausüben oder ein Musikinstrument erlernen.
Proteomanalyse
Genauso wichtig für diese Gehirnleistungen sind die etwa ebenso vielen Milliarden Gliazellen, die unterschiedliche Zelltypen wie Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia umfassen. Endothelzellen, die weder zu Nerven- noch zu Gliazellen gehören, kontrollieren welche Stoffe ins Nervengewebe gelangen. Dem Team um Gesine Saher gelang es, in diesen Zelltypen das Inventar an Proteinen zu kartieren. Das Proteom passt sich äusserst dynamisch Veränderungen in der Umgebung an, zum Beispiel bei Mangel an Nährstoffen oder erhöhtem Stress.
Umstellung von kohlenhydratbasierter auf fettreiche ketogene Diät
«Uns hat interessiert, wie sich Ernährung und Gesundheitszustand auf das Proteom von Zellen im Gehirn auswirken. Wir wollten herausfinden, ob sich in den unterschiedlichen Zelltypen Stoffwechsel-Muster erkennen lassen», erklärt Saher, Projektgruppenleiterin in der Abteilung Neurogenetik. Dafür isolierte ihr Team alle fünf Zellarten aus der Hirnrinde von Mäusen, die von der üblichen kohlenhydratbasierten auf eine kohlenhydratarme, fettreiche ketogene Diät umgestellt wurden. Weitere Zellproben entnahm das Team Nagern, die an einer Entzündung des Nervengewebes, einer sogenannten Neuroinflammation, litten.
Zellarten reagieren flexibel bis konservativ
«Unsere Ergebnisse zeigen, dass die einzelnen Zelltypen im Gehirn unterschiedliche Strategien haben, um die veränderte Verfügbarkeit der Energiesubstrate zu kompensieren.
- Astrozyten und Nervenzellen sind in ihrem Stoffwechsel flexibel und passen sich an», so Saher. Tim Düking, Erstautor der Studie, ergänzt: «Dies zeigte sich in unseren Mäusen bei einer ketogenen Diät beispielsweise daran, dass die Dichte der Mitochondrien erhöht war. Diese Zellorganellen verstoffwechseln die Ketonkörper, die entstehen, wenn der Körper verstärkt Fett abbaut.»
- «Gleichzeitig ermöglichten Endothelzellen durch den verstärkten Import von Ketonkörpern ins Gehirn, dass seine Zellen überhaupt erst Zugang zu diesem veränderten Nährstoffangebot erhielten», ergänzt Lena Spieth, ebenfalls Erstautorin der Studie.
- «Oligodendrozyten waren die Konservativsten unter den Zellarten. Sie behielten ihren Stoffwechsel bei.»
Ketogene Diät bei neuroinflammatorischen Erkrankungen
Die Ergebnisse der Forschenden liefern auch neue Erkenntnisse, warum sich eine ketogene Diät bei Multipler Sklerose (MS) positiv auswirken kann. Neuroinflammatorische Erkrankungen wie eine MS bringen den Energiestoffwechsel des Gehirns aus dem Gleichgewicht; dies schädigt die Nervenzellen. Als Reaktion stellt sich der Nervenzell-Stoffwechsel auf Fett als primäre Energiequelle um.
«Bei unseren Mäusen, die an einer Neuroinflammation litten, zeigte sich dies als deutliches Muster im Stoffwechsel ihrer Nervenzellen, ähnlich wie in gesunden Mäusen, denen eine ketogene Diät verabreicht wurde. Erhielten erkrankte Tiere eine ketogene Diät, verstärkte sich der Energiestoffwechsel in den Nervenzellen am deutlichsten. Der Schweregrad der MS-Erkrankung reduzierte sich. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die ketogene Diät das benötigte Fett als Energiesubstrat liefert», erklärt Saher.
Stoffwechsel als Therapieziel?
Die Erkenntnisse aus Versuchen an Mäusen tragen dazu bei, zu verstehen, warum eine fettreiche ketogene Diät bestimmte Erkrankungen des Gehirns wie die MS positiv beeinflussen kann. Weitere Studien müssen zeigen, inwieweit diese Ergebnisse auf den Menschen übertragbar sind. In Erkrankungen des Nervensystems wird der Stoffwechsel bereits als Ziel für Therapien diskutiert. Die zelltypspezifischen Proteomdatensätze des Göttinger Teams liefern hierfür eine wichtige Grundlage.
