Forschungsansätze zur Verbesserung der Atemfunktion

Forschung, die die Heilung von Querschnittlähmung und verbesserte Behandlungsmöglichkeiten der Folge- und Begleiterkrankungen bei einer Rückenmarksverletzung zum Ziel hat, wird in verschiedenen Bereichen betrieben. Auch die Verbesserung der Atemfunktion ist ein Thema.Bild 134283656 copyright aletia, 2013 Mit Genehmigung von Shutterstock.com

Rückenmarksverletzungen oberhalb von C4 unterbrechen die Verbindung zwischen dem Atemzentrum im Hirnstamm und den Zellkernen des Nervus phrenicus, der die Zwerchfellatmung steuert (siehe: Atemproblematik), was die Notwendigkeit von Atemtherapiegeräten oder evtl. einer maschinellen Beatmung mit sich bringt. Wissenschaftler der US-amerikanischen Case Western Universität haben in Tierversuchen Behandlungsmöglichkeiten entwickelt, die eine eigenständige Atmung ohne Hilfsmittel in Aussicht stellen. Untersucht wurden hier die Möglichkeiten einer Kombination aus Enzyminjektionen und Neuro-Bypass und, neu 2014, eine Kombination aus Enzyminjektionen und intermittierender Hypoxie.

Die Enzyminjektion

Eine Rückenmarksverletzung stellt eine Unterbrechung der Nervenverbindungen dar, die für die Signalübertragung zuständig sind. An der Läsionsstelle bildet sich eine Narbe, weshalb eine Regeneration und damit eine Wiederherstellung der Funktionen, wie es bei Verletzungen im peripheren Nervensystem stattfindet, verhindert werden. Gebildet wird u. a. das Proteoglykan Chondroitinsulfat, ein zuckerhaltiges Protein, das auch in Knorpelgewebe vorkommt. Abgebaut wird Chondroitinsulfat u. a. von dem Enzym Chondroitinase ABC.  Wenn dieser Abbau nun gezielt herbeigeführt würde, so die Forscher, könnte dies für eine verbesserte neuronale Plastitzität sorgen.

Am Anfang der Behandlung, die das Team um Forschungsleiter Jerry Silver untersucht, steht also die interläsionale Injektion von Chondroitinase ABC in Verbindung mit

1. Dem Einsetzen eines Transplantats, dass die Verletzungsstelle überbrückt

oder

2. Der Anwendung einer wiederholten intermittierenden Hypoxie.

Der Nerven-Bypass

In einem Versuch im Jahr 2011 wurde bei halbseitig gelähmten Ratten (Läsionshöhe C2) ein Transplantat eingesetzt und das Enzym Chondroitinase ABC an die beiden Stellen injiziert, in denen der kurze Nervenbypass mit dem Rückenmark ober- und unterhalb der Läsion verbunden wurde. Neue Nervenverbindungen entstanden und es kam zu einer gesteigerten elektromyografischen Aktivität im Zwerchfell. Zudem wurden 80 bis 100 % der relevanten Nerven- und Muskelaktivität bei einem Großteil der verwendeten Tiere wiederhergestellt.

Die intermittierende Hypoxie

Während die Versuche mit dem Neuro-Bypass noch an frisch verletzten Ratten unternommen wurden, untersuchte die neue Studie den Einsatz bei Langzeitverletzungen von mehreren Monaten*. Durch die Gabe des Enzyms Chondroitinase ABC können offenbar auch dann Erfolge erzielt werden, wenn die Verletzung schon bis zu einem Jahr zurückliegt. Zusätzlich wurde mit einer bestimmten Atemtherapie, der intermittierenden Hypoxie, die verbleibende Atemfunktion gestärkt. Dabei wurde den Versuchstieren kurzzeitig weniger Sauerstoff zugeführt. Während dieser Zeit mussten sie schneller atmen, um den notwendigen Sauerstoff zum Erhalt der Körperfunktionen aufnehmen zu können, was wiederum einen Trainings- und damit aufbauenden Effekt für die Atemmuskulatur hat. Ein weiterer ausschlaggebender Faktor bei dieser Methode ist Serotonin. Die Kombination der Enzyminjektion und der intermittierenden Hypoxie steigerte die Ausschüttung dieses Neurotransmitters. Indem Serotonin verstärkt an den Nervenverbindungen und besonders an den Rezeptoren eingesetzt wurde, konnte die Zwerchfellfunktion der Mehrzahl der Versuchstiere vollständig wiederhergestellt werden.

Etwa 66% der Ratten reagierten auf die Therapie, während sie für die übrigen 33 Prozent überhaupt keine Folgen hatte. Von den Tieren, die eine Reaktion zeigten, reagierten zwei Drittel mit einer Normalisierung der Atemfunktion, während es bei dem verbleibenden Drittel zu Tachypnoen kam. Grund hierfür war eine Überversorgung mit Serotonin. Nach dem Einsatz von Rezeptorenblockern normalisierte sich die Atmung. Wie es zu dieser Überversorgung bei einigen der Versuchstiere kommen kann, bei anderen jedoch nicht, ist unklar.

Die Case Western Universität äußert sich in einer Pressemitteilung euphorisch zu den neuen Ergebnissen:

„Dies könnte von immenser Bedeutung für die Behandlung von Querschnittgelähmten sein. Unsere Arbeit gibt Grund zu Hoffnung, dass die gestörte Atemfunktion in Zukunft wiederhergestellt werden kann, selbst im Falle von Langzeitverletzten.”

Was allerdings im Text nur nebenbei erwähnt wird und somit erst bei genauerem Hinsehen auffällt ist, dass die Ratten inkomplett gelähmt waren und der Ausfall der Atemfunktion nur halbseitig war. Einen wesentlichen Vorteil hätte die Therapie in der Konstellation, wie sie jetzt ist, demnach nicht.  Zum anderen ist nicht ganz auszuschließen, dass die querschnittsgelähmte Seite durch Interneurone angesteuert wird, die im Rückenmark auf Höhe der Zellkerne des Nervus phrenicus unkontrolliert die Seiten kreuzen – was ähnliche Folgen wie die beschriebene aktive Manipulation hätte.

Inwieweit diese Methoden auf Menschen mit (kompletter) Querschnittlähmung übertragbar und inwieweit sie sinnvoll sind, bleibt also abzuwarten.

Weitere Informationen

Finanziert wurde die Studie von verschiedenen Stiftungen, die sich mit der Forschung zur Heilung von Querschnittlähmung beschäftigen, u. a. von Wings for Life (siehe: Wings for Life – Die Organisation und Wings for Life über die Heilung von Rückenmarksverletzungen).
Für mehr Informationen (in englischer Sprache) siehe: Laboratory Breakthrough Offers Promise for Spinal Cord Injury Patients to Breathe on Their Own Again

Die intermittierende Hypoxie ist auch Gegenstand einer Behandlungsmöglichkeit zu Verbesserung der Gehfähigkeit (siehe: Sauerstofftherapie bei inkompletter Querschnittlähmung)

 

* Im Fall von Ratten ist der Begriff „Langzeit“ natürlich relativ: Der Zeitpunkt, zu dem ihnen die Querschnittlähmung zugefügt wurde, lag bis zu 18 Monate zurück – was auf den ersten Blick wenig erscheint, für die Ratte aber ihr halbes Leben bedeutet.

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