Forschung: Gläsernes Rückenmark

Das Rückenmark ist einer der sensibelsten Teile des menschlichen Körpers. Es liegt gut geschützt im Wirbelkanal und besteht aus Nervenzellen, die sich von den Sinnesorganen zum Gehirn und vom Gehirn zu den Erfolgsorganen ziehen. Somit ist es für Bewegungen und Empfindungen des Rumpfes, der Arme und Beine sowie des Halses zuständig. Jede kleinste Beeinträchtigung des Rückenmarks hat gravierende Folgen, im schlimmsten Fall Lähmungen. Das ist irreparabel – zumindest derzeit noch.

Dieses Feld wird von der Grundlagenforschung intensiv beackert. In den letzten Jahren wurde entgegen der noch vor ein paar Jahren vorherrschenden Meinung, dass Nervenzellen sich nicht regenerieren können, bewiesen, dass das Gegenteil der Fall ist: Auch Nervenzellen können sich regenerieren – allerdings langsam im Vergleich etwa zu Haut- oder Knochenzellen, die noch im Erwachsenenalter nachwachsen. Generell gilt, dass Nervenzellen des Zentralnervensystems, also des Gehirns und des Rückenmarks, langsamer und schwerer zusammenwachsen als die des peripheren Nervensystems.

Medikamente, die das Wachstum von Nervenzellfortsätzen stimulieren sollen, werden bereits an Versuchstieren getestet. Die Krux dabei: Wie lässt sich das Wachsen der Nervenzellen möglichst einfach beobachten? Immerhin handelt es sich um wenige Millimeter, die dabei gemessen werden müssen. Am Institut für Festkörperelektronik der TU Wien wurde in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Neurobiologie in München eine Methode entwickelt, die das ermöglicht. Bislang wurde das Rückenmark in dünne Scheiben geschnitten und diese wurden im Mikroskop untersucht. Diese zweidimensionalen Bilder bieten jedoch nur eine vage Vorstellung von der Lage und dem Verlauf der Zellen. „Natürlich können Bilder dieser Scheiben am Computer zu einer dreidimensionalen Darstellung des Gewebes zusammengefügt werden“, erklärt Hans-Ulrich Dodt, unter dessen Leitung an der TU Wien eine neue Methode entwickelt wurde. „Doch das ist sehr aufwendig und es dauert oftmals Tage oder Wochen, bis Ergebnisse vorliegen.“ Außerdem lässt sich die Länge der Nervenzellen häufig nicht eindeutig messen. Die Fehlerquote ist hoch, denn beim Schneiden des Gewebes können Zellen relativ leicht gequetscht und verschoben werden. Ein Wachstum von einigen Millimetern ist daher nicht leicht beobachtbar.

„Unsere Methode erlaubt es, Größenordnungen von Tausendstelmillimetern in 3-D sichtbar zu machen“, so Dodt. Das Verfahren beruht auf der sogenannten „Ultramikroskopie“. Ein Ultramikroskop ist ein lichtmikroskopischer Aufbau, durch den sehr kleine Objekte beobachtet werden können, wie zum Beispiel Nebeltröpfchen oder Rauchteilchen, die in einem normalen Lichtmikroskop nicht sichtbar wären. Dabei werden die Objekte in einem Gas oder einer Flüssigkeit suspendiert. Das Ganze wird dann im Dunkeln von der Seite mit einem zusätzlichen Lichtbündel beleuchtet, das die Teilchen als helle Flecken aufleuchten lässt.

Das Geheimnis der neuen Methode, die kürzlich in Nature Medicine publiziert wurde, ist, dass das Nervengewebe durchsichtig gemacht wird. Gewebe besteht aus Wasser und Proteinen, beides Substanzen, die zwar Licht durchlassen – dennoch ist Gewebe undurchsichtig. Das liegt an der Lichtbrechung: Wasser bricht Licht anders als Eiweiße. „Sie müssen sich das ähnlich wie bei Wolken vorstellen“, erläutert Dodt: „Eine Wolke besteht aus durchsichtigen Substanzen, nämlich Wassertröpfchen und Luft. Trotzdem erscheint eine Wolke wattig weiß.“ Wasser und Luft haben eben unterschiedliche optische Eigenschaften.

Durchsichtig: Öl. Daher ersetzen die Forscher das Wasser im Nervengewebe durch eine andere Flüssigkeit, die exakt die gleichen optischen Eigenschaften aufweist. Nach einer Entwässerung des Gewebes wird es in eine spezielle ölige Substanz eingelegt. Dadurch wird das Gewebe durchsichtig, so wie ein Tropfen Salatöl auf einem Blatt Papier einen transparenten Fleck erzeugt.

Um darin Strukturen erkennen zu können, werden einzelne Nervenzellen mit einer fluoreszierenden Substanz markiert, die im UV-Licht grün leuchtet. Dieses Protein stammt aus der Qualle Aequorea victoria, die im Meer vor Kalifornien vorkommt. Diese Technik wurde mit dem Chemie-Nobelpreis 2008 ausgezeichnet. „Wir beleuchten das Gewebe Schicht für Schicht mit einem Laserstrahl und setzen dann die Bilder im Computer zu einem 3-D-Modell zusammen“, erläutert Dodt. So lässt sich mit dem an der TU Wien entwickelten Ultramikroskop der Verlauf von Nervenzellen exakt nachvollziehen und am Computer darstellen.

In nächsten Schritten sollen nun Medikamente, die das Wachstum von durchtrennten Nervenzellen anregen sollen, auf ihre Wirkung im Organismus getestet werden. „Mit unserem Verfahren lässt sich erstmals in 3-D zeigen, ob eine Substanz Nervenzellen nachwachsen lässt oder nicht.“

Die Methode lässt sich nicht nur auf Nervengewebe, sondern auch auf andere Gewebetypen anwenden, zum Beispiel auf Blutkapillare oder bei der Tumordiagnostik. Sie könnte zu einem Standardverfahren in der Pathologie werden, etwa bei der Entfernung von Tumoren, um zu klären, ob alle Teile des Tumors entfernt wurden.

Ein bemerkenswertes Detail am Rande: Die Möglichkeiten der Lichtmikroskopie scheinen noch lange nicht ausgereizt zu sein. Landläufig fällt einem zwar immer das Rasterelektronen- oder das Transmissionselektronenmikroskop als letzter Schrei der Mikroskopiertechnik ein, doch auch das Lichtmikroskop wurde weiterentwickelt – unter anderem deshalb, weil sich die Proben bei den meisten elektronenmikroskopischen Verfahren in einem Vakuum befinden müssen – wodurch die Untersuchung von biologischen Proben kaum möglich ist. Der größte Nachteil von herkömmlichen Lichtmikroskopen: Die Auflösung ist durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt: Strukturen, die kleiner als 200 Nanometer (oder Fünftausendstelmillimeter) sind, lassen sich nicht mehr sichtbar machen.

Diese Grenze lässt sich durch ausgefeilte Verfahren aber überwinden. Moderne Hightech-Lichtmikroskope haben mit den aus der Schulzeit bekannten Durchlichtmikroskopen nicht mehr viel zu tun. Als wichtigste Methode hat sich die Fluoreszenzmikroskopie herauskristallisiert. „Was die lichtmikroskopische Technik in den letzten Jahrzehnten revolutioniert hat, ist das Sted- und das Palm-Verfahren“, erläutert Dodt. Bei beiden Methoden werden die Präparate zunächst mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und dann mit einem Laserstrahl beleuchtet. Dabei wird jedoch nicht das ganze Objekt angestrahlt, sondern jeweils nur ein kleiner Punkt, erst im Computer werden komplette Bilder konstruiert.

Leuchtende Punkte. Beim Sted-Mikroskop wird zusätzlich zu diesem „Anregungsstrahl“ ein zweiter Laserstrahl, ein sogenannter „Ausschaltestrahl“ eingesetzt. Dieser Strahl beeinflusst die Fluoreszenzfarbstoffe im angestrahlten Punkt nicht, sondern schaltet nur die Farbstoffe in der Umgebung aus. Es leuchten daher nur die Farbstoffmoleküle im Zentrum des Punktes. Dadurch lassen sich viel feinere Details auflösen – bis hin zu 20 Nanometern. Das hat aber auch einen Nachteil: Der Laser ist sehr energiereich, was in Organismen zu Problemen führen kann.

Das Palm-Verfahren beruht hingegen auf an- und abschaltbaren Fluoreszenzfarbstoffen, die durch Lichtblitze unterschiedlicher Wellenlängen nacheinander sichtbar gemacht werden. Auch durch diese Methode wird das Auflösungsvermögen etwa um den Faktor zehn erhöht. Der Nachteil: Das Zusammensetzen der Teilbilder dauert ein paar Stunden. Trotz all dieser Probleme: „Die Lichtmikroskopie scheint sich zurzeit ähnlich revolutionär weiterzuentwickeln wie eine andere Wissenschaft, die auf Optik angewiesen ist: die Astronomie“, sagt Dodt.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 19.02.2012)