Studie: Wiederherstellung der Zwerchfellfunktion bei Querschnittlähmung

Wissenschaftler haben ein neurales Netzwerk entdeckt, das die Zwerchfellfunktion bei Querschnittlähmung wieder herstellen kann. Dieses Netzwerk ermöglicht Zwerchfellkontraktionen ohne Input des Gehirns. Tetraplegiker könnten so ohne künstliche Beatmung auskommen.

Die Problematik

„Viele Tetraplegiker müssen künstlich beatmet werden”, erklärt Studienautor Jared Cregg. “Die Signale, die die Atmung steuern, werden vom Gehirn gesendet und über Motoneuronen im Rückenmark geleitet, die dann die Kontraktionen des Zwerchfells auslösen. Bei Querschnittlähmungen im Halswirbelbereich sind diese Signalleitungen aber unterbrochen (siehe: Atemproblematik).“ Daher ist in vielen Fällen eine künstliche Beatmung notwendig, die allerdings für den Betroffenen das Risiko erhöht an Infektionen zu erkranken. Bakterien können z. B. über die Beatmungsschläuche leichter in die Lunge eindringen und zu Lungenentzündungen (siehe: Lungeninfektionen und Pneumonien vorbeugen mit LISA) oder Blutvergiftungen führen. Zusammen mit Studienleiter Jerry Silver arbeitet Cregg daran, Wege zu finden, die Zwerchfellfunktion wiederherzustellen und die Abhängigkeit des Patienten von künstlicher Beatmung zu reduzieren. Die vorliegende Studie belegt ihre Fortschritte auf diesem Gebiet: „Wir haben einen Weg gefunden, wie das Zwerchfell ohne Gehirnsignale gesteuert werden kann“, sagt Cregg. „Diese aufregende Entdeckung kann wegweisend für künftige Strategien zur Verbesserung der Leistung von Motoneuronen bei Rückenmarksverletzungen im Halswirbelbereich sein.“

Die Studie

Das Team um Silver untersucht die neuralen Netzwerke von Ratten mit Querschnittlähmung. Im Vorfeld entwickelten sie eine Methode, mit der vom Gehirn ausgehende Nerven die Läsionsstelle im Rückenmark überbrücken und Neuronen unterhalb der Läsion aktivieren können. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, wie Signale mit diesem „alternativen“ Netzwerk übertragen werden können, um das Zwerchfell zu stimulieren.

Die Ergebnisse

Die neue Studie zeigt, dass Ratten, denen eine komplette Rückenmarksverletzung im Halswirbelbereich zugefügt wurde, keine spontanen elektrischen Impulse unterhalb der Läsion hatten. Aber nachdem die Nager mit pharmakologischen Wirkstoffen behandelt worden waren, konnten die Wissenschaftler ein elektrisches „Aufflackern“ einzelner Neuronen erzeugen und nachweisen, dass dies dem Rückenmark entstammte – nicht dem Gehirn. Unter Einsatz der Optogenetik konnten die Wissenschaftler die Impulse nutzbar machen und ins Zwerchfell lenken.

In einem weiteren Versuch, bei dem Mäusen eine komplette Querschnittlähmung bei C1 zugefügt worden war, war die gehirngesteuerte Atmung vollständig unterbrochen. Die Wissenschaftler fanden jedoch heraus, dass Signale vom Rückenmark zum Zwerchfell der Mäuse gesendet werden konnten. Trotz dieser schweren Form der Querschnittlähmung gab es, wenn auch keine eigenständige Atmung möglich war, elektrische, mit der Atmung in Verbindung gebrachte Impulse im Zwerchfell der Versuchstiere. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Zwerchfell über Schaltkreise gesteuert werden kann, die vom Gehirn völlig unabhängig sind. Gregg erklärt: “Unsere Ergebnisse zeigen etwas, das wir nicht erwartet haben, nämlich dass Motoneuronen des Zwerchfells über zwei unabhängige Schaltkreise gesteuert werden können. Das klassische Atemnetzwerk im Gehirn und ein Rückenmarksnetzwerk, das wir erstmalig identifizieren konnten. Was ganz wichtig ist: In früheren Studien wurde gemutmaßt, dass dies zwei Teile desselben Netzwerkes seien. Wir konnten nun zeigen, dass sie unabhängig voneinander arbeiten.“ Dieses neu entdeckte Netzwerk könnte helfen bei Patienten mit Querschnittlähmung die Gehirnsignale umzuleiten und motorische Funktionen unterhalb der Läsionsstelle wiederherzustellen. Dies könnte auch die Zwerchfellfunktion beinhalten, wodurch die Abhängigkeit von künstlicher Beatmung entfallen würde.

Die Aussichten

Die Forscher werden nun in weiteren Studien das neuentdeckte Netzwerk in „größerer anatomischer Genauigkeit“ betrachten, so Gregg. „Unsere Methode ist weit davon entfernt eine Therapiemöglichkeit für den Einsatz beim Menschen zu sein, da wir die unabhängige Steuerung des Zwerchfells bisher nur bei Nagern nachweisen konnten“, fügt er hinzu. Die Methode werde noch viel weiter entwickelt werden müssen, bevor sie Querschnittgelähmten helfen könne. Eine Aufgabe, der sich das Team um Gregg und Silver zu stellen bereit ist.

Zur Originalpublikation (in englischer Sprache) geht es hier: New Neural Network Can Restore Diaphragm Function after Spinal Cord Injury