Immunzellen des Gehirns mit „Heißhunger“ auf Zucker

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Zu Beginn einer neurodegenerativen Erkrankung nehmen die Immunzellen des Gehirns – die „Mikroglia“– den Zuckerstoff Glukose in weitaus größerem Umfang auf als bislang angenommen. Zu diesem Schluss kommen Untersuchungen von Forscherinnen und Forschern der LMU, des LMU Klinikums und des Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE). Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Interpretation von Hirnscans, die die Verteilung von Glukose im Gehirn darstellen. Darüber hinaus könnten solche bildbasierten Daten möglicherweise als Biomarker dienen, um bei Menschen mit Demenz die Reaktion der Mikroglia auf therapeutische Maßnahmen nicht-invasiv zu erfassen.

Beim Menschen zählt das Gehirn zu den Organen mit dem größten Energieverbrauch, der sich mit dem Alter und auch krankheitsbedingt – etwa infolge von Alzheimer – verändern kann. „Der Energieumsatz lässt sich indirekt über die Verteilung von Glukose im Gehirn erfassen. Glukose ist ein Energieträger. Deshalb geht man davon aus, dass dort, wo sich Glukose im Gehirn ansammelt, der Energiebedarf und demzufolge die Hirnaktivität besonders hoch ist“, sagt Dr. Matthias Brendel, stellvertretender Direktor der Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin des LMU Klinikum München.

Das dafür gängige Messverfahren ist eine spezielle Variante der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), im Fachjargon „FDG-PET“ genannt. Den untersuchten Personen wird dazu eine wässrige Lösung mit radioaktiver Glukose verabreicht, die sich im Gehirn verteilt. Die Strahlung, die von den Zuckermolekülen ausgeht, wird dann von einem Scanner gemessen und bildlich dargestellt. „Die räumliche Auflösung reicht aber nicht aus, um zu erkennen, in welchen Zellen sich die Glukose anreichert. Letztlich erhält man ein Mischsignal, das nicht nur von Nervenzellen stammt, sondern auch von den Mikroglia und anderen Zelltypen, die im Gehirn vorkommen“, so Brendel.

Zelluläre Präzision

„Die Lehrbuchmeinung ist, dass das Signal aus der FDG-PET hauptsächlich von den Nervenzellen kommt, denn sie gelten im Gehirn als die größten Energieverbraucher“, sagt Professor Christian Haass, Forschungsgruppenleiter am DZNE und Professor für Biochemie an der LMU München. „Diese Vorstellung wollten wir auf die Probe stellen und haben herausgefunden, dass das Signal tatsächlich überwiegend von den Mikroglia herrührt. Das gilt zumindest im Frühstadium einer neurodegenerativen Erkrankung, wenn die Nervenschäden noch nicht so weit fortgeschritten sind. Hier sehen wir, dass die Mikroglia große Mengen an Zucker aufnehmen. Dies scheint notwendig zu sein, um ihnen eine akute, sehr energieaufwändige Abwehrreaktion zu ermöglichen. Diese kann zum Beispiel gegen krankheitsbedingte Proteinaggregate gerichtet sein. Erst im späteren Krankheitsverlauf wird das PET-Signal offenbar von den Nervenzellen dominiert.“

Die Befunde der Münchner Forschenden beruhen auf Laboruntersuchungen sowie auf PET-Studien an rund 30 Patientinnen und Patienten mit einer Demenzerkrankung – entweder Alzheimer oder einer sogenannten Four-Repeat-Tauopathie. Untermauert werden die Ergebnisse unter anderem durch Studien am Mausmodell.

„Die FDG-PET wird sowohl in der Demenzforschung eingesetzt als auch im Rahmen der klinischen Versorgung“, so Brendel. „Insofern sind unsere Ergebnisse wichtig für die korrekte Interpretation solcher Aufnahmen des Gehirns. Sie lassen zudem manche, bislang rätselhafte Beobachtungen in neuem Licht erscheinen. Bestehende Diagnosen stellt dies aber nicht in Frage. Es geht vielmehr um ein besseres Verständnis der Krankheitsmechanismen.“

Haass zieht aus den aktuellen Ergebnissen weitere Schlüsse: „In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass die Mikroglia bei Alzheimer und anderen neurodegenerativen Erkrankungen eine maßgebliche, schützende Rolle spielen. Es wäre sehr hilfreich, wenn man Aktivität und Reaktion dieser Zellen etwa auf Medikamente nicht-invasiv überwachen könnte. Insbesondere um festzustellen, ob eine Therapie anschlägt. Unsere Befunde deuten darauf hin, dass das per PET möglich sein könnte.“ (DZNE)

Xianyuan Xiang et al.: Microglial activation states drive glucose uptake and FDG-PET alterations in neurodegenerative diseases. Science Translational Medicine, 2021