Schalter für Zuckertransport ins Gehirn entdeckt

Forschung

12.8.2016

Unser Gehirn holt sich Zucker durch einen aktiven Prozess aus dem Blut. Das haben Diabetesforscher an der Technischen Universität (TUM) und am Helmholtz Zentrum in München entdeckt. Bisher lautete die These, dass es sich um einen rein passiven Vorgang handelt. Wissenschaftler um Professor Matthias Tschöp zeigen im Fachmagazin Cell, dass der Zuckertransport ins Gehirn jedoch durch sogenannte Stützzellen reguliert wird. Sie konnten belegen, dass diese Zellen auf Hormone wie Insulin oder Leptin reagieren – dies schien bisher nur Nervenzellen möglich.

Insulin wirkt an Stützzellen, um die Aufnahme von Zucker ins Gehirn zu regulieren. Oben ist eine solche intakte Signaltransaktion zu sehen, unten ist sie gestört. (Quelle: Garcia-Caceres)

Unsere Gesellschaft steht durch den rapiden Anstieg von Übergewicht und der damit verbundenen Verbreitung von Typ-2-Diabetes vor einer enormen Herausforderung. Immer noch fehlt es an effizienten und sicheren Medikamenten, um diese Entwicklung aufzuhalten. Dies liegt vor allem daran, dass die Mechanismen des Zucker- und Energiestoffwechsels immer noch unzureichend erforscht sind.

Treibstoff für die Schaltzentrale

Ein Wissenschaftlerteam um Professor Dr. Matthias Tschöp vom Lehrstuhl für Stoffwechselerkrankungen an der TUM als auch Direktor des Helmholtz Diabetes Zentrums (HDC) und der Abteilung für Stoffwechselerkrankungen erforscht, wie Schaltzentralen im Gehirn unseren Stoffwechsel fernsteuern, um ihn optimal auf unsere Umwelt einzustellen. Das Hirn ist das Organ mit dem höchsten Zuckerverbrauch im Körper und kontrolliert unser Hungergefühl.

„Wir vermuteten deswegen, dass es bei so einem wichtigen Vorgang, wie der Versorgung des Gehirns mit ausreichend Zucker, nicht um einen zufälligen Prozess handeln konnte“, sagt Dr. Cristina García Cáceres, Neurobiologin am HDC und Erstautorin der Studie. „Lange Zeit ließen wir uns davon in die Irre führen, dass Nervenzellen diesen Prozess offensichtlich nicht kontrollieren. Dann hatten wir die Idee, dass Astrozyten, die man bisher als weniger wichtige ‚Stützzellen‘ missverstanden hatte, vielleicht etwas mit dem Zuckertransport ins Gehirn zu tun haben könnten.”

Die Wissenschaftler untersuchten deshalb zunächst die Aktivität von Insulinrezeptoren auf der Oberfläche der Astrozyten, also jenen Strukturen, über die Insulin Einfluss auf Zellen nimmt. Dabei stellten sie fest, dass beispielsweise Mäuse, denen dieser Rezeptor auf bestimmten Astrozyten fehlte, eine deutlich geringere Aktivität in Nervenzellen aufwiesen, die die Nahrungsaufnahme zügeln (die sogenannten Proopiomelanocortin Neuronen).

Gleichzeitig hatten solche Mäuse Schwierigkeiten, ihren Stoffwechsel anzupassen, wenn sich die Zuckerzufuhr änderte. Mit Hilfe bildgebender Methoden konnten die Wissenschaftler dann zeigen, dass Hormone wie Insulin und Leptin an Stützzellen wirken, um die Aufnahme von Zucker ins Gehirn zu regulieren. Ohne Insulinrezeptoren zeigten die Astrozyten vor allem im Bereich der Appetitzentralen im sogenannten Hypothalamus entsprechend schlechtere Transportraten von Glukose ins Gehirn.

entwicklung neuer Medikamente nun einfacher

„Unsere Ergebnisse zeigen erstmals, dass essentielle Stoffwechsel- und Verhaltensprozesse nicht nur über Nervenbahnen reguliert werden, sondern dass andere Zelltypen wie Astrozyten hier eine entscheidende Rolle spielen“, sagt Studienleiter Matthias Tschöp, der die Entwicklung neuer Therapien am Deutschen Zentrum für Diabetesforschung (DZD) leitet – „das stellt einen Paradigmenwechsel dar und könnte ein Grund dafür sein, dass sich die Entwicklung neuer Medikamente für Diabetes und Adipositas bisher so schwierig gestaltete.“

Um das alte Modell der Kontrolle von Nahrungsaufnahme und Körperstoffwechsel durch Nervenzellen im Gehirn jetzt durch ein Konzept zu ersetzen, bei dem auch Astrozyten und eventuell sogar Immunzellen des Gehirns eine wichtige Rolle spielen, müssen zahlreiche neue Studien auf den Weg gebracht werden. Erst wenn das Zusammenspiel dieser verschiedenen Zellen etwas besser verstanden ist, gelte es dann, Wege und Stoffe zu finden, wie in diese Signalketten eingegriffen werden kann, um eventuell Zuckerabhängigkeit zu unterbinden und letztlich die wachsende Zahl an Zuckerkranken und Übergewichtigen besser behandeln zu können. “Da liegt sehr viel Arbeit vor uns,” sagt Garcia-Caceres, “aber wenigstens wissen wir jetzt, in welchen Zellen wir suchen müssen.”

Hintergrund:

* Astrozyten sind die häufigsten Zellen im Gehirn. Unter anderem bilden sie die Bluthirnschranke, indem sie die im Hirn verlaufenden Blutgefäße umschließen und nur bestimmte Stoffe gezielt zu den Nervenzellen durchlassen.

** Erst vor kurzem hatten die Wissenschaftler bereits gezeigt, dass Astrozyten auch auf das Stoffwechselhormon Leptin reagieren (Kim et al., 2014). Dieses ist ein wichtiger Faktor für das Sättigungsgefühl. Da nun sowohl Leptin als auch Insulin nachweislich auf Astrozyten Einfluss haben, schlagen die Forscher vor, ein neues Modell zu entwickeln, was neben den Nervenzellen auch die Astrozyten als Stellschrauben des Stoffwechsels und des Hungergefühls berücksichtigt. Von dem dann detaillierteren Bild erhoffen sie sich neue Perspektiven für die Entwicklung von Medikamenten.

Publikation:

Caceres, C. et al. (2016): Astrocytic insulin signaling couples brain glucose uptake with nutrient availability, Cell, 08/2016. DOI: 10.1016/j.cell.2016.07.028