Plattenbewegung mit Höchstgeschwindigkeit

Neuö Zürcör Zäitung
FORSCHUNG UND TECHNIK
Mittwoch, 24. Oktober 2007 Nr. 247
B3
Mit Licht Nervenzellen steuern
Plattenbewegung mit Höchstgeschwindigkeit
Vielversprechender technischer Fortschritt der Neurowissenschaften
Nur geringe Mächtigkeit der indischen Kontinentalplatte
Ein neues System von Membranproteinen erlaubt es Hirnforschern, die
Aktivität von Neuronen zeitlich und
räumlich äusserst präzise zu steuern. Da
man sich davon für die Zukunft einen
grossen Nutzen verspricht, erheben
gleich zwei Universitäten Anspruch
auf ein entsprechendes Patent.
Ein primäres Ziel der Hirnforschung ist es, grundlegende neuronale Prozesse wie das Wachsen und
die Orientierung von Nervenzellen sowie deren
Kommunikation untereinander zu verstehen, um
Aufschluss sowohl über die Entwicklung und die
Regeneration des Nervensystems als auch über
die molekularen Vorgänge des Gedächtnisses zu
erhalten. Um dies zu erreichen, stimulieren oder
unterdrücken Forscher in Experimenten gezielt
die Aktivität von Nervenzellen. Bis anhin war
dies jedoch sowohl in der Zellkultur als auch in
lebenden Organismen nur mittels implantierter
Elektroden oder durch die Beigabe von sogenannten Neurotransmittern, den Botenstoffen
des Zentralnervensystems, möglich. Beide Methoden weisen gewichtige Nachteile auf. So können in beiden Fällen lediglich vage definierte
Gruppen von Neuronen, nicht jedoch einzelne
Zellen stimuliert werden; Neurotransmitter verteilen sich zudem oft nur langsam in einem Gewebe oder in einer Zellkultur und lösen entsprechende Reaktionen deshalb mit einer gewissen
Verzögerung aus. Seit kurzem existiert nun ein
System, mit dem man Nervenzellen räumlich
weitaus präziser und zeitlich beinahe unmittelbar
aktivieren und inaktivieren kann. In neurowissenschaftlichen Kreisen spricht man von einer kleinen Revolution.
Aus Algen und Archaebakterien
Das System, das von einer internationalen Forschergruppe unter der Leitung von Karl Deisseroth von der Universität Stanford in Kalifornien
etabliert wurde, beruht auf zwei lichtempfindlichen, in ihrer Beschaffenheit und Wirkung
jedoch unterschiedlichen Membranproteinen:
dem Channelrhodopsin-2 aus der Grünalge
Chlamydomonas reinhardtii und dem Halorhodopsin aus dem Archaebakterium Natromonas
pharaonis. Über gentechnisch veränderte Viren
schleusten die Forscher die Gene für diese
Moleküle in Nervenzellen ein, wo die Proteine
dann produziert und in die Zellhülle eingebaut
wurden.
Da beide Proteine nur bei Licht einer bestimmten Wellenlänge reagieren, können sie
selektiv stimuliert werden: Blaues Licht mit einer
Wellenlänge um 460 Nanometer aktiviert das
Channelrhodopsin-2, einen Kationen-Kanal, der
sich daraufhin öffnet und positiv geladene Kalzium-Ionen in die Zelle einlässt; die Zellmembran
wird dadurch depolarisiert und die Nervenzelle
aktiviert. Gelbes Licht mit einer Wellenlänge um
580 Nanometer wiederum regt das Halorhodopsin an, eine Chlorid-Pumpe, die daraufhin negativ
geladene Chlor-Ionen ins Zellinnere befördert,
dadurch die Membran hyperpolarisiert und die
Nervenzellen somit inaktiviert.
Mit diesem System konnten die Forscher die
Aktivität der Nervenzellen ausschliesslich mit
Licht und zeitlich äusserst präzise kontrollieren,
ja es konnten sogar einzelne Aktionspotenziale,
die charakteristischen Veränderungen der Membranspannung bei neuronaler Aktivität, beliebig
an- und abgeschaltet werden. Gleichzeitig unterschieden sich die so manipulierten Zellen in Bezug auf ihr Verhalten in der Zellkultur, ihre
Membranspannung und ihre Reaktion auf elektrische Stimulation nicht von normalen Neuronen, weshalb man davon ausgeht, dass sie trotz
ihrer neuen Lichtempfindlichkeit unbeeinträchtigt funktionieren.
Deutsche Elite-Universitäten
Viel Exzellenz im Süden
ces. Der in Deutschland lange verpönte Begriff
der Elite erfreut sich wieder steigender Beliebtheit, und so haben Bundesregierung und Länder
in einem Wettbewerb Elite-Universitäten erkoren. In der ersten Runde im Jahr 2006 wurden die
Universität und die Technische Hochschule in
München sowie die Technische Hochschule
Karlsruhe ausgezeichnet. In der zweiten Runde
sind nun die Freie Universität Berlin, die Universitäten in Göttingen, Heidelberg, Freiburg, Konstanz sowie die Technische Hochschule Aachen
dazu gekommen.
Allerdings ist der finanzielle Ertrag des neuen
Titels mit zusätzlichen 7 bis 13 Millionen Euro für
spezielle Forschungsvorhaben (inklusive Doktoranden-Kollegien und sogenannter ExzellenzCluster in Kooperation mit ausseruniversitären
Forschungseinrichtungen) für jede Universität bis
zum Jahr 2011 bescheiden. Insgesamt stehen in
dem Zeitraum 1,9 Milliarden Euro zur Verfügung. Ausserdem ändert der Wettbewerb nichts
am gravierendsten Defizit der deutschen Universitäten: an der sukzessiven Verelendung des Lehrbetriebs infolge wachsender Studentenzahlen und
eines spürbaren Abbaus der Professorenstellen.
Eindrücklich demonstriert wurden die Möglichkeiten dieses Systems auch in einer Studie am
Fadenwurm Caenorhabditis elegans; die Würmer
waren dazu gentechnisch so verändert worden,
dass ihre Muskelzellen die lichtempfindlichen
Membranproteine produzierten. Durch die Stimulierung des hyperpolarisierenden Halorhodopsins konnten die Muskelzellen der Tiere vollständig gelähmt werden, was sich in einem unmittelbaren Unterbruch der typischen Schwimmbewegungen äusserte. Analog zu den Arbeiten an
kultivierten Nervenzellen konnte diese Lähmung
durch eine Lichtstimulierung des depolarisierenden Channelrhodopsins ebenso schnell wieder
aufgehoben werden; der Wurm begann wieder zu
schwimmen. Das System ermöglicht also nicht
nur in vitro, sondern auch in vivo eine zeitlich sehr
präzise, bidirektionale Aktivitätsregulierung eines bestimmten Zelltyps.
Streit um das Patent
Im Bereich der Grundlagenforschung – und dereinst vielleicht sogar in der Medizin – wird das
durch Licht kontrollierbare Proteinsystem von
grossem Nutzen sein. In Anbetracht dessen überrascht es kaum, dass die Rechte an diesem System
äusserst begehrt sind, wie ein sich anbahnender
Patentstreit beweist: Fast zeitgleich mit der «Nature»-Veröffentlichung, in der Deisseroth und
sein Team vor einigen Monaten die Anwendung
des Halorhodopsins vorstellten, erschien in der
neuen Fachzeitschrift «PLoS One» ein in seinen
Grundaussagen identischer Artikel einer Forschergruppe unter der Leitung von Edward Boyden vom Massachusetts Institute of Technology
(MIT). Artikel in dieser Zeitschrift werden nicht
«peer-reviewed» – also nicht von fachkundigen
Experten evaluiert –, sondern nur von einem Editor auf die korrekte Anwendung von Techniken
hin durchgesehen, was eine schnellere Veröffentlichung gewährleistet; dies lässt darauf schliessen,
dass im Moment der Publikation grosser Zeitdruck herrschte. Pikanterweise war Boyden im
Jahr 2005, als der Nutzen des Channelrhodopsins
in Nervenzellen veröffentlicht wurde, Mitarbeiter
in Deisseroths Gruppe in Stanford und Erstautor
der entsprechenden Publikation. Sowohl das MIT
als auch Stanford erheben mittlerweile Anspruch
auf ein entsprechendes Patent.
Johannes Gräff
Nature Neuroscience 8, 1263–1268 (2005); Nature 446, 633–641
(2007); PLoS One 3, e299 (2007).
Seismische Messungen legen nahe, dass
die indische Platte unerwartet dünn ist.
Dies könnte erklären, weshalb sich der
heutige indische Subkontinent früher ungewöhnlich schnell auf Asien zubewegte.
Seine Kollision mit der eurasischen
Platte hebt noch heute den Himalaja.
Vor mehr als hundert Millionen Jahren hatte sich
Indien von dem damaligen Grosskontinent Gondwana abgelöst und begann, sich mit einer Geschwindigkeit von 18 bis 20 Zentimetern pro Jahr
von Süden in Richtung Asien zu bewegen; die
Kollision Indiens mit Asien vor etwa 50 Millionen
Jahren verursachte schliesslich die Entstehung
des Himalajas. Geologisch gesehen ist diese Geschwindigkeit für eine Kontinentalplatte enorm
hoch. Die übrigen Krustenteile – die wir heute als
Antarktis, Afrika und Australien kennen – bewegten sich laut paläomagnetischen Daten zumeist mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 4 Zentimetern pro Jahr zu ihren «momentanen» geografischen Standorten. Was Indien derart schnell
machte, ist bis anhin nicht geklärt. Studien von
Prakash Kumar vom National Geophysical Research Institut in Hyderabad in Indien und seinen
Kollegen lassen nun aber annehmen, dass eine
unerwartet geringe Mächtigkeit der indischen
tektonischen Platte von nur maximal 100 Kilometern die rasche Fortbewegung ermöglichte.
Eine tektonische Kontinental- oder Lithosphärenplatte – die wie ein Floss auf dem Erdmantel schwimmt – besteht aus kontinentaler
Kruste und den sich ebenfalls fest und spröde verhaltenden oberen Bereichen des darunter liegenden Erdmantels. Dort, wo der Mantel beginnt,
sich plastisch zu verhalten, geht die Lithosphäre
in die darunter liegende sogenannte Asthenosphäre über. Dieser Grenzbereich lässt sich am
Verhalten seismischer Wellen gut erkennen. Anhand der Aufzeichnung von Erdbebenwellen von
rund fünfunddreissig seismischen Messstationen
auf den fünf Kontinenten und im Indischen
Ozean gelang es den Forschern daher, die Krustendicke der Kontinentalplatten zu berechnen.
Dabei zeigte sich, dass die sich langsam bewegenden Platten zwischen 180 bis 300 Kilometer dick
sind, Indien jedoch nur eine Mächtigkeit von 80
bis 100 Kilometern aufweist. Dies, obwohl Diamanten-Lagerstätten darauf hinweisen, dass auch
Indien dereinst dicker gewesen sein muss. Die
Diamanten müssen wegen der erforderlichen
Drücke nämlich in etwa 150 Kilometern Tiefe, in
den «Wurzeln» des mehr als eine Milliarde Jahre
alten Krustenbereichs, gebildet worden sein.
Um die Krustendicke zu messen, waren laut
Rainer Kind vom Geoforschungszentrum Potsdam, einem der Autoren der Studie, Daten von
Beben nötig, die sich in grosser Entfernung vom
jeweiligen Seismometer ereigneten. Nur dann
dringen die vom Beben verursachten Scherwellen
so tief ins Erdinnere ein, dass sie relativ steil von
unten die Asthenosphären- und LithosphärenGrenze passieren, bevor sie registriert werden. An
diesem Grenzübergang erzeugten die Scherwellen Kompressionswellen, so Kind, die schneller
seien und deshalb vor den Scherwellen registriert
würden. Anhand der Differenz der Geschwindigkeiten lasse sich dann die Dicke der Lithosphäre
berechnen. Eine simple Idee, meint Kind, die
nicht neu sei. Da die Signale aber schwach seien,
brauche es sehr empfindliche Seismometer und
viele Daten sowie neue Computerprogramme zu
deren Verarbeitung. Noch vor einigen Jahren hätten diese nicht zur Verfügung gestanden.
Dass die Kruste derart dünn ist, könnte mit
der Aufspaltung Gondwanas zusammenhängen.
So gibt es die Hypothese, dass heisses Material
von der Grenze zwischen Erdkern und -mantel
aufgestiegen war, eine Aufwölbung und starken
Vulkanismus hervorgerufen und letztlich zum
Auseinanderbrechen des Kontinents geführt hatte. Diese These wird nun auch von den Forschern
herangezogen. Solch hochquellendes Material
könnte die Kontinentwurzeln teilweise aufgeschmolzen und somit ausgedünnt haben und damit dem leichten und schnelleren Krustenfragment zusätzlich noch einen entsprechenden
«Kick» gegeben haben. Kind sagt aber auch, dass
sie dazu keine Untersuchungen gemacht hätten
und dies somit Vermutungen seien. Dietmar Müller von der School of Geosciences der Universität
Sydney zeigt sich daher auch dieser These gegenüber skeptisch. Man wisse nun, um wie viel dünner die indische Lithosphäre gegenüber den anderen Kontinenten sei, die ehemals zu Gondwana
gehörten, erklärt er – aber nicht, wann und wie es
zu dieser Ausdünnung gekommen sei. Deshalb ist
er auch nicht überzeugt davon, dass die dünne
Kruste der Grund dafür ist, dass Indien auf seinem Weg in Richtung Asien so schnell vorankam.
Simone Ulmer
Nature 449, 894–897 (2007); ebenda, 795–796 (2007).
Häufige Krankheiten – modern behandelt
Hepatitis B und C
Viruserkrankungen werden oft als «heimtückisch» bezeichnet – einer von vielen Belegen dafür, dass das menschliche Krankheitsverständnis
bis tief in die Fachliteratur hinein von Metaphern
geprägt ist. Im Fall der virusbedingten Leberentzündungen Hepatitis B und C ist dieses Attribut
durchaus nachvollziehbar. Charakteristisch für
beide Hepatitis-Arten ist, dass Betroffene von
ihnen unter Umständen jahrzehntelang nichts
spüren, bis sie eines Tages mit möglichen dramatischen Spätfolgen konfrontiert werden. Es soll
deshalb gleich gesagt werden, dass gegen Hepatitis B eine wirksame und sichere Impfung zur Verfügung steht. Dagegen ist eine Impfung gegen
Hepatitis C nach wie vor nicht absehbar.
Unterschiedliche Übertragungswege
Die verschiedenen Familien angehörenden Hepatitis-B- und -C-Viren (HBV bzw. HCV) gelangen
durch Blut und Körperflüssigkeiten in den Organismus. Im Fall der Hepatitis C erfolgt die Infektion in der Regel durch kontaminiertes Blut, häufig in Zusammenhang mit der gemeinsamen Nutzung von Fixernadeln und anderem Drogenbesteck, darunter auch «Sniffer-Röhrchen» von
Kokainkonsumenten. Selten kommt es zur Übertragung des Hepatitis-C-Virus beim Geschlechtsverkehr oder – meist während des Geburtsvorgangs – von der Schwangeren auf ihr Kind. Anders
sieht die Situation beim Hepatitis-B-Virus aus, für
dessen Übertragung alle Wege relevant sind.
Die Hepatitisviren schädigen die Leber, in
denen sie gute Bedingungen für ihre Vermehrung
vorfinden, nicht direkt. Das Immunsystem identifiziert die Eindringlinge indessen als «fremd» und
setzt eine Abwehrreaktion in Gang, in deren Verlauf die infizierten Zellen inklusive Viren zerstört
werden. Die frühe Phase der Immunantwort verläuft häufig «stumm» und damit unbemerkt, oder
aber es zeigen sich Symptome wie Gelbsucht, ausgeprägte Müdigkeit, dunkler Urin und Verdauungsbeschwerden – Zeichen allerdings, die nicht
spezifisch für eine virale Hepatitis sind. Die akute
Form der Hepatitis B und C klingt spontan innert
weniger als sechs Monaten ab, was gleichbedeutend ist mit Ausheilung oder dem Übergang in ein
chronisches Stadium. Sehr selten kommt es zu
einem rasch tödlichen Verlauf.
Viren verursachten, aber «fäkal-oral» übertragenen Hepatitisformen A und E, die nie chronisch
werden. Im Falle der Hepatitis C ist der natürliche
Krankheitsverlauf durch eine Chronifizierungsrate von 70 bis 80 Prozent gekennzeichnet. Die
grösste Risikogruppe in der Schweiz sind Drogenabhängige, die nach wie vor zu selten getestet und
behandelt werden. Für die Hepatitis B gilt die
Regel: je jünger der Infizierte, desto häufiger der
chronische Verlauf. Beträgt die entsprechende
Rate bei Neugeborenen rund 90 Prozent, so sinkt
sie bei älteren Kindern deutlich ab und bewegt
sich bei Jugendlichen und Erwachsenen noch im
Bereich von 5 bis 10 Prozent.
Gefürchtete, in der Regel zwei bis drei Jahrzehnte nach Ansteckung auftretende Spätfolgen
der chronischen Hepatitis B und C sind die
Leberzirrhose (eine mit Schrumpfung verbundene Degeneration des Lebergewebes) und der
Leberkrebs. Von der Zirrhose sind je nach Quelle
10 bis 20 Prozent der Patienten mit Hepatitis C
betroffen; für die Hepatitis B liegt dieser Prozentsatz sogar noch höher. Leberkrebs, der eine sehr
Medizin-Serie
ni. Die Beiträge dieser Serie sollen einen Überblick über die wichtigsten Aspekte einer Krankheit geben. Ein Schwerpunkt liegt auf den Behandlungsmöglichkeiten, wie sie die wissenschaftliche Medizin («Schulmedizin») derzeit
empfiehlt. Da bei jeder Beurteilung stets auch
patientenspezifische Faktoren berücksichtigt
werden müssen, können und sollen diese Beiträge das Gespräch mit dem eigenen Arzt nicht
ersetzen. Bereits erschienene Artikel finden sich
auf NZZ Online (www.nzz.ch).
schlechte Prognose hat, tritt als Folge einer Zirrhose in 1 bis 10 Prozent der Fälle auf. In sehr frühen Stadien kann versucht werden, mittels operativer Entfernung des Tumors oder einer Lebertransplantation – auch bei Leberzirrhose eine
Möglichkeit – eine Heilung zu erreichen.
Vor dem Auftreten dieser Spätfolgen ist eine
medikamentöse Behandlung möglich. Abhängig
vom Virus-Subtyp liegt die Erfolgsquote bei der
Hepatitis C zwischen 50 und 90 Prozent, bei der
Hepatitis B bei 25 bis 40 Prozent. Allerdings ist der
Begriff der Heilung in Anführungszeichen zu setzen, da nicht mit Sicherheit gesagt werden kann,
ob das Virus vollständig aus dem Organismus eliminiert ist oder sich lediglich nicht mehr nachweisen lässt. Die Behandlung sollte von erfahrenen
Ärzten durchgeführt werden. Denn nicht jede
chronische Virus-Hepatitis muss therapiert werden, aber es ist wichtig zu erkennen, wann eine Behandlung angezeigt ist. Bei der Hepatitis C kann
diese schon im Akutstadium einsetzen.
Die Behandlung dauert bei der Hepatitis C
zwischen 6 und 12 Monaten, bei der Hepatitis B in
vielen Fällen über Jahre. Standard ist bei chronischer Hepatitis C gegenwärtig die kombinierte
Anwendung von sogenannt pegyliertem Interferon, das als Spritze unter die Haut verabreicht
wird, und dem in Tablettenform eingenommenen
Ribavirin. Interferon wird auch bei chronischer
Hepatitis B eingesetzt. Daneben stehen gegen
HBV weitere antivirale Medikamente zur Verfügung, mit denen jedoch lediglich eine Unterdrückung der Virusvermehrung zu erreichen ist. Ein
Grund mehr, die Bedeutung der Hepatitis-B-Impfung für Risikogruppen zu unterstreichen.
Bruno Kesseli
Der Autor ist Arzt, Wissenschaftsjournalist und Chefredaktor
der «Schweizerischen Ärztezeitung».
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Chronischer Verlauf als Problem
Die chronische Verlaufsform der beiden Krankheiten ist häufig und weltweit ein schwerwiegendes Problem. In diesem Punkt sowie bezüglich
des Ansteckungsmodus unterscheiden sich Hepatitis B und C grundlegend von den ebenfalls durch
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