Erfolge der Forschungs­förderung (Wirkungs­analyse)

Wir interessieren uns für die Funktion von Phagozyten im Gehirn. Phagozyten sind wichtiger Bestandteil der angeborenen Immunantwort und für die Vernichtung von eingedrungen Pathogenen, aber auch von körpereigenen Material wie, amyloide Plaques, zuständig. Der Einschluss der Partikel erfolgt über die Bildung von Phagosomen, die nach Aufnahme der Partikel mit speziellen Vesikeln, den Lysosomen, verschmelzen. Um die Funktion dieser Zellen zu untersuchen, injizieren wir ein Toxin in die weiße Substanz des Gehirns, um die Myelinscheide lokal zu schädigen. Das beschädigte Myelin wird dann von Phagozyten in das Innere der Zelle aufgenommen und verdaut. Führt man jedoch dieses Experiment bei älteren Tieren durch findet man eine Anhäufung von unverdauten Resten in der Zelle. Bei den älteren Tieren kommt es in den Phagozyten zu Ablagerungen von Cholesterin in den Lysosomen. Das Cholesterin stammt aus den Myelinscheiden, die zu einem hohen Anteil aus Cholesterin bestehen. Die Anhäufung von Cholesterin löst nach einiger Zeit eine Entzündungsreaktion aus. Zur den Ablagerungen kommt es, weil die Phagozyten nicht in der Lage sind, Choleste­rinmoleküle abzubauen. Das überschüssige Cholesterin muss durch Lipoproteine abtransportiert werden. Im Gehirn wird diese Aufgabe in erster Linie von Apolipo­protein E übernommen. Diese Ergebnisse sind für das Verständnis der Funktion von Phagozyten im Alter relevant.

Entwicklung sicherer und effizienter Medikamente für die Alzheimer Krankheit – An der Alzheimer Krankheit sind in Deutschland über 1 Million Menschen erkrankt. In der Alzheimer Forschung arbeiten wir mit Hochdruck daran, sichere und effiziente Medikamente zur Behandlung der Ursachen dieser Krankheit zu entwickeln. Zielmoleküle zur Medikamenten-Entwicklung sind unter anderem bestimmte Enzyme im Gehirn, die als molekulare Scheren fungieren und das Alzheimer Eiweiß in kleinere Stücke schneiden. Eines dieser Bruchstücke kann Verklumpungen bilden, die die Nervenzellen im Gehirn schädigen und letztlich zur Alzheimer Krankheit führen. Mit Hilfe des Breuer Preises haben wir neue analytische Methoden entwickelt, mit denen wir dann herausgefunden haben, dass diese molekularen Scheren nicht nur das Alzheimer Eiweiß schneiden, sondern auch weitere Eiweiße im Gehirn. Das bedeutet aber, dass eine medikamentöse Hemmung der molekularen Scheren möglicherweise zu unerwünschten Nebenwirkungen führen könnte, da die anderen Eiweiße auch nicht mehr geschnitten werden. Um solche Nebenwirkungen zu verhindern, haben wir herausgefunden, welche der anderen Eiweiße besonders wichtig im Gehirn sind. Nun entwickeln wir diagnostische Nachweismethoden, um genau diese Eiweiße und ihre Bruchstücke in der Gehirnflüssigkeit und im Blut einfach zu messen. Damit wird es künftig möglich sein, für jeden Patienten die geeignete Dosis des Medikaments zu finden, um eine maximale Effizienz bei gleichzeitig minimalen Nebenwirkungen zu erreichen. Zusammenfassend hilft uns der Breuer Preis, die Medikamenten-Entwicklung für die Alzheimer Krankheit effizienter und sicherer zu machen.

Bei erstaunlich viele Patienten die unter den Erkrankungen Frontotemporaler Demenz (FTD) und Amyotropher Lateralsklerose (ALS) leiden finden sich weitere Betroffene in der Familie. Durch genetische Untersuchungen in diesen Familien konnten zahlreiche ursächliche Mutationen identifiziert werden. Am häufigsten ist eine Mutation in einem kaum charakterisierten Gen mit dem kryptischen Namen C9orf72, die ca. 5-10% aller ALS/FTD Patienten betrifft. Patienten mit dieser Mutation weisen eine massive Verlängerung von mehreren hundert oder sogar tausend Wiederholungen einer (GGGGCC)_n Sequenz im nicht-kodierenden Teil des C9orf72 Gens auf. Wir haben entdeckt, dass die verlängerte (GGGGCC)_n Sequenz unerwartet in allen Leserahmen in aggregierende Proteine übersetzt wird. Dabei entstehen fünf sogenannte Dipeptid-Repeat (DPR) Proteine (Mori et al, Science 2013), die zahlreiche Ablagerungen in den Nervenzellen der Patienten bilden. Die entscheidenden Fragen sind nun, welche Rolle die DPR Proteine bei der Krankheitsentstehung spielen und wie toxische Effekte medikamentös behandelt werden können. Durch die Unterstützung des Forschungspreises der Hans und Ilse Breuer-Stiftung konnten wir die toxische Wirkung der DPR Proteine in Zellkultur und in Mausmodellen genauer untersuchen. Dabei interessierte uns insbesondere die Verbindung von DPR Proteinen mit den zytoplasmatischen TDP-43 Ablagerungen, weil diese Aggregate auch bei ALS/FTD Patienten ohne C9orf72 Mutation beobachtet werden und vermutlich eine direkte Ursache des Zelltods sind. Wir haben entdeckt, dass DPR Proteine den normalen Import von TDP-43 in den Zellkern stören und so dessen Aggregation im Zytoplasma begünstigen (Khosravi et al., Hum Mol Genet 2017). Weiterhin konnten wir eine Interaktion zwischen zwei der DPR Proteine und Ribosomen sowie anderen RNA-bindenden Proteinen nachweisen. Dadurch wird vermutlich die gesamte zelluläre Translation chronisch gestört und die Neurodegeneration mit ausgelöst (Hartmann et al., Life Sci Alliance 2018). In Zellkultur konnten wir zeigen, dass monoklonale Antikörper die Aggregation und Zell-zu-Zell Übertragung von DPR Proteinen hemmen (Zhou et al., EMBO Mol Med 2017). Jetzt testen wir die Wirksamkeit dieses Therapieansatzes in einem transgenen Mausmodell für C9orf72 ALS/FTD, dass wir zuvor etabliert und näher charakterisiert haben (Schludi et al., Acta Neuropathol 2017). Mit einem Teil des Preisgeldes haben wir eine 96-Kanal Pipette und andere Geräte zur Hochdurchsatz-Analyse von biologischen Proben angeschafft. So konnten wir ein halb-automatisches Verfahren entwickeln, um in Stammzellen aus C9orf72 Patienten hunderte Medikamente gleichzeitig auf ihre Wirksamkeit zu untersuchen. Zunächst testen wir eine Sammlung bereits für andere Krankheiten zugelassener Medikamente. Sollte sich hierbei ein bereits bekanntes Medikament in C9orf72 Zellen als wirksam erweisen, wäre das ein vielversprechender Therapieansatz mit weniger Hürden für eine baldige klinische Studie in Patienten.

Bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen kristallisiert sich die Beteiligung inflammatorischer Mechanismen zunehmend als wesentliche Komponente der Krankheitsentstehung und -entwicklung heraus. Mikrogliazellen als Repräsentanten des angeborenen Immunsystems im ZNS werden dabei durch Aggregate aus fehlgefalteten Proteinen oder Nukleinsäuren simuliert. Aus deren neuroprotektiver und homöostatischer Wirkung unter physiologischen Bedingungen entsteht durch diese Aktivierung ein chronischer Entzündungsprozess, der über pro-inflammatorische Zytokine zum neuronalen Zelluntergang beiträgt. Im Fokus unserer Arbeiten steht das NLRP3 Inflammasom. Dabei handelt es sich um einen Signalweg, der am Beginn der Aktivierung des angeborenen Immunsystems steht und wesentlich die Entwicklung einer chronischen Entzündung im Gehirn mitbestimmt. Zunächst wiesen wir die Aktivierung dieses entzündlichen Signalmechanismus im Gehirn von Alzheimer Patienten mit immunhistochemischen und biochemischen Methoden nach. Interessanterweise war eine starke Aktivierung des NLRP3 Immunmechanismus bereits bei Patienten mit milder kognitiver Einschränkung (MCI) nachweisbar, was darauf hindeutet, dass die beobachtete Aktivierung bereits vor dem Erreichen des Demenzstadiums stattfindet. In einem nächsten Schritt konnten wir zeigen, dass die genetische Blockade des NLRP3 Inflammasoms in einem Mausmodell der Alzheimer Krankheit neuroprotektiv wirkt. Die Blockade des NLRP3 Inflammasoms verhinderte die entzündliche Aktivierung der Mikroglia, die daraufhin einen verbesserten Abbau der Amyloid Ablagerungen im Gehirn der Mäuse zeigte. Besonders wichtig war der Befund, dass die reduzierte Entzündungsreaktion und der verbesserte Abbau der Amyloid-Ablagerungen einen Schutz synaptischer Verbindungen sowie eine deutlich verbesserte hippokampale Funktion zur Folge hatte. Da Neuroinflammation schon früh und vor dem Eintreten klinischer Symptome der Alzheimer Krankheit einsetzt, sind die beteiligten Mechanismen attraktive Angriffspunkte für zukünftige verlaufsmodifizierende Behandlungsansätze.

Viele Erkrankungen des Gehirns und der Nervenzellen, einschließlich der Alzheimer’schen Erkrankung, sind durch das Absterben von Nervenzellen gekennzeichnet. Da dieses Absterben unumkehrbar ist, ist es ein zentrales Anliegen der Forschung im Bereich dieser neurodegenerativen Erkrankungen, zu verstehen, warum Nervenzellen so verletzlich sind. Ein Grund liegt in der ungewöhnlichen Form dieser Zellen: Ein winziger Zellkörper versorgt einen riesigen Zellfortsatz mit Bausteinen und Nährstoffen – dieser Zellfortsatz, das Axon, weißt häufig das hundert- bis tausendfache an Länge und Volumen auf. Zur Erhaltung des Axons haben Nervenzellen ein komplexes Transportsystem entwickelt, dass es ihnen unter normalen Bedingungen erlaubt, diese Versorgung zu sichern. Unter Erkrankungsbedingungen allerdings, gerät dieses System aus der Balance – und der Prozess des Absterbens beginnt. Mit Unterstützung der Breuer-Stiftung entwickelt mein Labor Methoden, diese Versorgungs- und Transportvorgänge in lebenden Zellen und Tiermodellen zu studieren. Dafür machen wir die Zellbausteine mittels genetischer Techniken sichtbar (z. B. in dem wir leuchtende Eiweißstoffe einbringen) und beobachten ihr Bewegungsmuster im Kontext verschiedener neurologischer Krankheitsmodelle mit modernen Mikroskopieansätzen. Zum Beispiel haben wir zeigen können, dass es bei Modellen von degenerativen Erkrankungen der Nervenzellen, die unsere Gliedmaßen bewegen, oder bei Modellen der Multiplen Sklerose, einer entzündlichen Erkrankung des Nervensystems, früh zu Transportstörungen kommt. Wir konnten auch beweisen, dass ähnliche Erscheinungen in streng lokaler Form auch als Teil der normalen Entwicklung dieser Nervenzellen auftreten. Dank der Hilfe der Breuer-Stiftung, ist dieser Forschungsansatz nun der Kern eines umfangreichen Forschungsprogramms im Bereiche degenerativer und entzündlicher Erkrankungen des Nervensystems.

Die Aggregate von Amyloid β und Tau-Protein sind die Kennzeichen der Alzheimerschen Krankheit. Die Verhinderung bzw. Äuflösung dieser Protein-Ansammlungen wird in klinischen Studien untersucht. Der Therapieerfolg derartiger Studien kann z. Z. nur durch die Kontrolle der kognitiven Leistungen der Patienten erfolgen, denn die eindeutige Diagnose einer Alzheimerschen Erkrankung erfolgt durch postmortale, histologische Diagnose am Gehirngewebe. Die fehlende Diagnostik eines relevanten Biomarkers an lebenden Patienten bedingt hohe Fallzahlen und mehrjährige Studiendauern und behindert dadurch die Therapieentwicklung. Ziel des durch die Hans und Ilse Breuer-Stiftung geförderten Projektes war die rationale Entwicklung molekularer Sonden für diese Amyloid β− und Tau-Protein-Aggregate für die Untersuchung der Retina bei Morbus Alzheimer. Die zu entwickelnden molekularen Sonden mussten bestimmte physikochemische Eigenschaften aufweisen, die eine hinreichende Fluoreszenzdiagnostik am Auge oder am Riechepithel mit geringem Signal-Rausch-Verhältnis ermöglichen. Weiterhin müssen diese Sonden eine Selektivität zu Alzheimer-assoziierten Proteinaggregaten aufweisen, aber nicht an ähnliche Aggregate anderer Proteine binden, um die notwendige diagnostische Differenzierung zu gewährleisten. Unter Verwendung der Struktur-Liganden-Affinitätsbeziehungen von Amyloid β− und Tau-Liganden wurden neue Fluorophore aus privilegierten Substanzklassen synthetisiert, die am Aβ bzw. Tau-PHF binden. Diese fluoreszenten Proben wurden histologisch gegen etablierte immunhistochemische Verfahren an Gehirngewebe von Alzheimer-Patienten evaluiert und anschließend in zellfreien Assays auf Proteinaffinität und ihre Fluoreszenzeigenschaft in Gegenwart der Zielproteine untersucht. In parallel durchgeführten Assays wurden die Zellgängigkeit, Lokalisation und die Toxizität der Substanzen analysiert. Es konnten schließlich zwei Substanzen identifiziert werden, die im Mausmodell eine Hirngängigkeit zeigen und Amyloid--Ablagerungen markieren. Mit einer dieser Substanzen konnten diese Ablagerungen auch in vivo (Mausmodell) visualisiert werden. Die Evaluation der Farbstoffe als Marker für Proteinablagerungen im menschlichen Riechepithel, die eine vereinfachte Diagnostik ermöglichen, dauert an.

Die frontotemporale Demenz (FTD) ist eine unheilbare Erkrankung, die nach der Alzheimer-Demenz die zweithäufigste Demenzform bei Patienten unter 65 Jahren darstellt. Im Vordergrund steht hierbei eine starke Veränderung der Persönlichkeit und Beeinträchtigung des sozialen Verhaltens verursacht durch einen Zelltod bevorzugt in frontalen und temporalen Gehirnbereichen. Die amytrophe Latersklerose (ALS) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung des motorischen Nervensystems und geht vorrangig mit Muskelschwäche bis hin zur Atemlähmung einher. Beide Erkrankungen haben auf den ersten Blick zunächst wenig Gemeinsamkeiten, außer dass es bei beiden Erkrankungen zu krankhaften Eiweißverklumpungen (sog. Einschlusskörperchen) in Nervenzellen kommt. Mit den Entdeckungen der RNA-bindenden Proteine TDP-43 und FUS als verklumpende Eiweiße in den Einschlusskörperchen ​​sowohl bei FTD als auch ALS hat sich unser Verständnis zu Ursachen und Entstehung der FTD und ALS seit 2006 jedoch dramatisch verändert. Mit diesen Arbeiten wurde der Grundstein gelegt für die Erkenntnis, dass es sich bei FTD und ALS um Varianten eines klinisch-pathologischen Spektrums von Erkrankungen handelt, denen derselbe Pathomechanismus, nämlich eine Störung des RNA Metabolismus, zugrunde liegt (Neumann et al. Science 2006; Neumann et al. Brain 2009). Durch die Unterstützung der Breuer-Stiftung konnten wir zum einen die Zusammensetzung dieser Einschlusskörperchen weiter entschlüsseln und die Liste der krankmachenden Eiweiße um TAF15, EWS und Transportin erweitern (Neumann et al. Acta Neuropathol 2012). Interessanterweise fanden sich trotz der oben genannten Gemeinsamkeiten auch wichtige Unterschiede in der Zusammensetzung der Einschlusskörperchen zwischen ALS und FTD, die von entscheidender Bedeutung zur weiteren Aufklärung der Ursachen für die Proteinverklumpung sind (Rademakers et al. Nat Rev Neurol 2012, Neumann Rev Neurol 2013). Weiterhin konnten wir die Konsequenzen von bestimmten Mutationen im FUS oder C9orf72 Gen bei der Entstehung von ALS und FTD charakterisieren (Waibel et al. Eur J Neurol 2012, Mackenzie et al, Acta Neuropathol 2013). Neben diesen Erkenntnissen, die zu einer neuen und international verwendeten molekularen Klassifikation der FTD und ALS geführt haben, lieferten die Arbeiten auch die Grundlage für die Entwicklung neuer FTD/ALS-Modellsysteme. Derartige Projekte sind sehr langfristig angelegt und kostspielig, so dass das Preisgeld der Breuer-Stiftung darüber hinaus essentiell für die Generierung neuer genetisch veränderter Mauslinien für TDP-43 und FUS in meinem Labor war. Diese Modelle erlauben uns nun die Funktionen dieser Proteine gezielt im Gehirn zu untersuchen um somit weitere Erkenntnisse zu den Krankheitsmechanismen bei FTD und ALS zu gewinnen.

Die Alzheimer Krankheit (engl. Alzheimer’s disease [AD]) ist die häufigste Form der Demenz in der Bevölkerung. Bestimmte Veränderungen in der DNA-Sequenz betroffener Patienten können die AD entweder auslösen (sog. „krankheitsauslösende Mutationen“, sehr selten) oder das Risiko erhöhen (sog. „genetische Risikofaktoren“, häufig). Die biochemische Wirkweise der genetischen Risikofaktoren ist häufig sehr viel schwieriger zu ermitteln als die der Mutationen und ist für die allermeisten Varianten noch nicht ausreichend aufgeklärt. Das übergeordnete Ziel unseres von der Hans und Ilse Breuer-Stiftung geförderten Projekts lag darin, den möglichen Zusammenhang zwischen etablierten genetischen Risikofaktoren der AD und der Funktion sog. micro-RNAs (miRNAs) näher zu untersuchen. MiRNAs sind kleine RNA-Moleküle, die an sog. messenger-RNA (mRNA) Moleküle binden und so die Menge der Produktion der durch die mRNAs kodierten Proteine (=Eiweiße) beeinflussen können. Um dieses Ziel zu untersuchen haben wir ein vielschichtiges Studiendesign angewendet, in dem „in silico“ (d. h. computergestützte) mit „in vitro“ (d. h. laborexperimentellen) Verfahren kombiniert wurden. Insgesamt haben wir 22 unterschiedliche AD-assoziierte häufige DNA-Varianten dahingehend untersucht, ob sie mit der biochemischen Bindung von miRNA zu mRNA interferieren. Unsere in silico Vorhersagen haben hierbei acht DNA-Varianten hervorgehoben, die wir nachfolgend weiter im Labor untersucht haben, durch Anwendung sog. Luciferase-Reporter-Experimente und miRNA-spezifische Expressionsuntersuchungen an humanen Gehirnproben. Unsere Ergebnisse zeigten, dass v. a. DNA-Varianten in den Genen MS4A6A, FERMT2 und NUP160 die Bindung von miRNA an mRNA, und damit die Proteinsynthese beeinflussen könnten. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden 2013 auf der „Alzheimer’s Association International Conference“ (AAIC) in Boston vorgestellt. In einem weiteren Experiment, bei dem wir genomweite Assoziationsdaten der humanen Gedächtnisfunktion ausgewertet haben, konnten wir zeigen, dass miRNA-138 ein potentieller Regulator der Gedächtnisfunktion im Menschen darstellt (Schröder et al, 2014). Seitdem hat unsere Arbeitsgruppe ihre Aktivität im Bereich der miRNA-Forschung intensiviert und konnte erst kürzlich mehrere unabhängige Arbeiten in diesem Bereich veröffentlichen (z. B. Schulz et al, 2018; Wohlers et al, 2018, Takousis et al, 2019), die ohne die im Rahmen des Breuer-Projekts erfolgten Vorarbeiten nicht möglich gewesen wären.

Referenzen:

Schröder J, Ansaloni S, Schilling M, Liu T, Radke J, Jaedicke M, Schjeide BM, Mashychev A, Tegeler C, Radbruch H, Papenberg G, Düzel S, Demuth I, Bucholtz N, Lindenberger U, Li SC, Steinhagen-Thiessen E, Lill CM, Bertram L. „MicroRNA-138 is a potential regulator of memory performance in humans.“ Front Hum Neurosci. 2014 Jul 11;8:501. doi: 10.3389/fnhum.2014.00501.

Schulz J, Takousis P, Wohlers I, Itua IOG, Dobricic V, Rücker G, Binder H, Middleton L, Ioannidis JPA, Perneczky R, Bertram L, Lill CM. „Meta-analyses identify differentially expressed micrornas in Parkinson’s disease.“ Ann Neurol. 2019 Jun;85(6):835-851. doi: 10.1002/ana.25490.

Takousis P, Sadlon A, Schulz J, Wohlers I, Dobricic I, Middleton L, Lill CM, Perneczky R, Bertram L. “Differential expression of microRNAs in Alzheimer’s disease brain, blood and cerebrospinal fluid” Alzheimer’s & Dementia (in press)

Wohlers I, Schulz C, Kilpert F, Bertram L “Alzheimer’s disease risk SNPs show no strong effect on miRNA expression in human lymphoblastoid cell lines“ bioRxiv 367318; doi: https://doi.org/10.1101/367318

Proteasen sind spezialisierte Enzyme, die andere Proteine gezielt oder auch willkürlich schneiden können. Von den etwa 600 in unserem Körper vorkommenden Proteasen sind einige auch an der Entstehung der für das Absterben der Neuronen mitverantwortlichen amyloiden Peptide, die bei der Alzheimer Erkrankung vermehrt anfallen verantwortlich. Die gamma- und die beta-Sekretase sind bei diesem proteolytischen Prozess direkt beteiligt, wobei die alpha-Sekretase dem Heraussschneiden des schädlichen Amyloid-Peptides entgegenwirkt. Die Arbeitsgruppe um Prof. Paul Saftig an der Universität Kiel hat sich in einer Reihe von Studien, insbesondere mit genetisch veränderten Mäusen, auf die Funktionsaufklärung dieser alpha-Sekretase konzentriert. ADAM10 wurde als in vivo wichtige die das Amyloidvorläuferprotein-spaltende alpha Sekretase identifiziert. Die Bedeutung dieses zur Metalloproteasefamilie gehörenden Enzyms für die Entwicklung des Mausgehirns aber auch für die Funktion des erwachsenen Gehirns wurde durch verschiedene experimentelle Ansätze belegt. Ein Verlust dieser Protease führt zu Veränderungen des Aufbaus und der Funktion von Nervenkontakten (Synapsen) und einer Einschränkung des Lernvermögens. In weiteren Arbeiten konnte auch gezeigt werden, dass ADAM10 eine ganze Reihe weiterer Oberflächenproteine auf Nervenzellen schneiden und damit deren Funktion modulieren kann. Aus möglicher therapeutischer Sicht bedeutet dies, dass ADAM10 zwar ein sehr interessantes Ziel für eine Therapie der Alzheimer Erkrankung darstellt, aber aufgrund der vielfältigen Funktionen genau abgewägt werden muss, wie man die Aktivität dieser Protease beeinflusst. In diesem Zusammenhang ist auch interessant, dass in der Arbeitsgruppe gefunden wurde, dass die zelluläre Verteilung und Stabilität von ADAM10 über sogenannte Tetraspaninproteine reguliert wird. Zudem wurde auch gefunden, dass ADAM10 bei der Prionerkrankung von entscheidender Bedeutung ist. Die durch das Preisgeld der Breuer-Stiftung geförderten Arbeiten in der Arbeitsgruppe von Prof. Saftig legten somit einen Grundstein für ein verbessertes Verständnis der biologischen Rolle der bei der Alzheimer Erkrankung beteiligten alpha Sekretase ADAM10.

Aβ Plaques und a-Synuclein-haltige Lewy Körperchen sind die neuropathologischen Hauptmerkmale der Alzheimer- beziehungsweise der Parkinson-Krankheit. In 50% der Alzheimer-Patienten treten diese beiden Proteinablagerungen gleichzeitig auf und auch in vitro Studien legen eine direkte Interaktion zwischen Aβ und α-Synuclein nahe. Welche Bedeutung dieser Interaktion für die Aβ Plaqueentstehung zukommt sollte im Rahmen des Hans und Ilse Breuer Preises erforscht werden. Das doppeltransgene APPPS1xa-synA30P Mausmodell der Lewy-Körperchen-Demenz wies interessanterweise 50% weniger Aβ Plaques und erhöhte Aβ Werte in der Rückenmarksflüssigkeit im Vergleich zu seinen Geschwistertieren auf. Darauf aufbauend wurde diese „Inhibitionshypothese“ mittels intrazerebralen Injektionen, Transplantationsexperimenten sowie in vitro Aggregations-Assays untersucht. In jedem dieser methodisch sehr unterschiedlichen Experimente hemmte α-Synuclein die Aβ Ablagerung. Weitergehende Untersuchungen legten nahe, dass α-Synuclein zwar die Aβ Aggregation hemmt, es aber gleichzeitig bedingt durch die Anhäufung von toxischen Aβ Zwischenprodukten zu vermehrter Reduktion von dendritischen Dornfortsätzen kommt (Bachhuber et al 2015). Desweiteren nutzten wir die in vivo 2-Photonen Mikroskopie um verschiedene Fragestellungen zu bearbeiten. So war es uns beispielsweise möglich, den Wachstumsprozess der Aβ Plaques über mehrere Monate genauer zu beschreiben (McCarter et al. 2013) sowie die positiven Effekte eines γ-Sekretasehemmers auf die Plaqueentstehung und die Plaque-assoziierten dendritischen Dornfortsätze zu untersuchen (Liebscher et al. 2014). Unsere erzielten Ergebnisse eröffnen neue Forschungsansätze, um den schädlichen Prozess der Amyloid-Ablagerungen und den damit assoziierten pathologischen Veränderungen sowohl morphologischer als auch funktioneller Art zu verlangsamen oder gar aufzuhalten.

Bei Leiden wie der Alzheimer-Demenz gehen mit der Zeit immer mehr Nervenzellen im Gehirn zu Grunde. Es hat sich gezeigt, dass Mechanismen eine Rolle spielen, welche die Aktivierung von Genen beeinflussen. Die Aktivität von Genen in Hirnzellen wird durch sogenannte „epigenetische“ Prozesse kontrolliert, welche dafür sorgen das bestimmte Bereiche des menschlichen Erbguts abgelesen werden können und zugleich andere stillgelegt bleiben. Ist dieses sensible Gleichgewicht gestört, kann es zur Demenz kommen. Die Untersuchung epigenetischer Prozesse bei Alzheimer stand 2009 noch am Anfang. Dem Team um Prof. Fischer ist es, vor allem auch durch die Unterstützung der Hans und Ilse Breuer-Stiftung, gelungen entscheidende Einblicke in die Epigenetik von Demenzerkrankungen zu gewinnen und aussichtsreiche neue Therapieansätze zu entwickeln, die im Modellsystem herausragenden Ergebnisse zeigten. Als Resultat dieser Forschung findet nun die weltweit erste klinische Studie statt, in der ein epigenetisch-wirkendes Medikament an Alzheimer-Patienten getestet wird (https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03056495).

Vor 10 Jahren erhielt ich einen mit 100.000€ dotierten Forschungspreis der Breuer-Stiftung, der es mir ermöglichte, meine gerade begonnenen Forschungen an einer neuen Quelle von Stammzellen im Gehirn auszubauen. Ich bin Entwicklungsbiologin, und habe angefangen mich auch für Gliazellen im ausgewachsenen Gehirn zu interessieren, nachdem wir entdeckt hatten, dass die neuralen Stammzellen während der Entwicklung des Gehirns ebenfalls Gliazellen sind. So entstand die Idee, dass manche der Gliazellen, die auf Verletzung oder Amyloid Plaques im erwachsenen Gehirn reagieren, vielleicht auch Stammzelleigenschaften haben könnten, und somit eine neue Quelle für den Ersatz abgestorbener Nervenzellen darstellen könnten. Der Breuerpreis war mir eine sehr wichtige Hilfe dabei, diese innovative These weiter zu verfolgen, und molekulare Mechanismen zu identifizieren, die die Stammzelleigenschaften der reaktiven Gliazellen fördern (Sirko et al., Cell Stem Cell 2013). Solche Projekte sind oft langfristig angelegt, und erfordern insbesondere auch hohe Kosten für transgene Mauslinien, so dass der Breuerpreis ganz entscheidend war, um diese Forschungen durchführen zu können. Mittlerweile haben wir weitere Faktoren identifiziert, die uns helfen, diese Gliazellen zur Bildung von Nervenzellen anzuregen (Gascón et al., Cell Stem Cell 2016), um so abgestorbene Nervenzellen aus lokalen Zellen wieder ersetzen zu können. Nun gilt es, auch wirklich die richtigen Subtypen von Nervenzellen bilden zu können, so dass die Funktion des Gehirns wieder richtig repariert werden kann (Falkner et al., Nature 2016; Barker et al., Nature 2018).

Das Amyloidprkursorprotein APP spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Alzheimer-Demenz. Die normalen zellbiologischen und physiologischen Funktionen von APP und seinen Spaltprodukten waren bisher weitgehend unbekannt. Dabei wird APP in fast allen Zellen des Gehirns produziert, vor allem in Regionen, die für die Gedächtnisbildung wichtig sind. Das Team von Prof. Müller untersuchte welche Rolle APP im gesunden Organismus für die Entwicklung und Funktion des Nervensystems spielt. Hierzu wurden genetisch veränderte Mausmodelle erzeugt in denen die Erbinformation für APP zerstört und somit die APP Produktion unterbunden wurde. Eine Analyse dieser Mäuse ließ nun wichtige Rückschlüsse auf die normale Funktion des APP Proteins im Organismus zu. Mit Hilfe des Breuer Preises konnten wir zeigen dass APP, und hierbei insbesondere das APP Spaltprodukt APPsa, essentielle Funktionen für die Kommunikation zwischen Nervenzellen besitzt. So besitzen Mäuse mit inaktiviertem APP-Gen beispielsweise weniger Synapsen, die Kommunikationsstellen zwischen Nervenzellen, und ein wesentlich schlechteres Lernvermögen in kognitiven Tests. Weiterführende Experimente erbrachten den Beleg, dass APPsα als Signalmolekül auf die synaptischen Kontakte von Nervenzellen wirkt, die Acetylcholin als Botenstoff verwenden. Das Protein-Fragment APPsα stimuliert die Signalweiterleitung durch die Acetylcholin-Rezeptoren und erhöht ihre natürliche Ansprechbarkeit. APPsa ist somit auch therapeutisch hochinteressant, da im Gehirn von Alzheimerpatienten geringere Mengen an APPsa produziert werden. Ein möglicher therapeutischer Ansatz wäre es daher die Produktion von APPsa im Gehirn der Patienten zu induzieren oder APPsa mittels Gentherapie einzubringen.

Kennzeichen der Alzheimer-Krankheit sind 2 Ablagerungen von Proteinen (Eiweissstoffen) im Gehirn, dem „beta-Amyloid“ und dem „Tau-Protein“. Ziel der Forschung ist es, die Verklumpung dieser Proteine zu verhindern oder rückgängig zu machen. Zum Zeitpunkt des Forschungspreises (2007) war die Arbeit am Amyloid schon weit fortgeschritten, während über die Wirkung von Tau im Gehirn weit weniger bekannt war. Unser Team hatte durch Vorarbeiten seit 1990 bereits die Eigenschaften des isolierten Tau-Proteins untersucht und Gründe gefunden, wie es zur Verklumpung kommt. Es fehlte aber noch an Erfahrung, wie die Pathologie des Tau-Proteins im Gehirngewebe entsteht. Dafür eignen sich in der medizinischen Forschung sogenannte „transgene Mäuse“, die genetisch so verändert werden, dass sie das menschliche Tau-Protein herstellen. Solche Versuche sind zeitraubend und teuer, sie ergeben aber ein ziemlich realistisches Abbild für die Krankheit im Menschen und ermöglichen es, therapeutische Ansätze zu testen. Wir hatten uns damals vorgenommen, ein kompliziertes „Maus-Modell“ der Alzheimerkrankheit zu untersuchen. Es sollte uns ermöglichen, das Tau-Protein an- und wieder abzuschalten, um so den Beginn und das Ende der Pathologie zu beobachten. Das Tau-Protein sollte in zwei Varianten im Gehirn erscheinen, entweder mit schneller Verklumpung oder ohne Verklumpung. Damit sollte untersucht werden, ob und wie die Verklumpung die Krankheit hervorruft. Drittens sollte die Entstehung des Tau-Proteins im Gehirn durch ein Lichtsignal von außen beobachtet werden können, über einen Farbstoff, der auch Glühwürmchen sichtbar macht (Luciferin). Dieser riskante Forschungsplan gelang, mit Hilfe des Forschungspreises. Die Ergebnisse zeigten: (1) Die Verklumpung des Tau-Proteins ist verantwortlich für die Zerstörung der Gehirnzellen, lösliches Tau-Protein tut das nicht. (2) Wenn Tau „angeschaltet“ wird, beginnt der schleichende Gedächtnisverlust. Aber die große Überraschung war: wenn das Tau wieder „ausgeschaltet“ wird, heilen die Schädigungen weitgehend aus. Das heißt, der Krankheitsprozess ist – im Prinzip – umkehrbar und sollte damit heilbar sein. Die Forschungen bestätigten, dass Tau- und beta-Amyloid beide am Krankheitsprozess beteiligt sind, und führten zu neuen Forschungsansätzen. Das jetzige Hauptziel ist es, die Erkenntnisse am Gehirn von Mäusen auf das Gehirn von Menschen zu übertragen und geeignete (und sichere) Wirkstoffe zu finden.

Nach derzeitigem Kenntnisstand entsteht die Alzheimererkrankung durch β-Amyloid (Aβ) genannte Eiweißverklumpungen im Gehirn. Aβ wird durch zwei scherenartige Enzyme aus einem größeren Eiweiß herausgeschnitten. Herr Steiner erforscht die genaue Funktionsweise einer dieser beiden molekularen Scheren, der γ-Sekretase, um herauszufinden, wie man diese blockieren kann. Eine wirksame Blockierung der γ-Sekretase verhindert die Bildung von Aβ und sollte daher prinzipiell die Alzheimererkrankung verzögern oder sogar ganz stoppen können. Herr Steiner hat sich zum Ziel gesetzt durch seine Forschungsarbeiten Grundlagen für die Entwicklung von selektiven γ-Sekretase Hemmstoffen zu schaffen, die die Entstehung von Aβ verhindern ohne die Spaltung anderer wichtiger Eiweiße zu berühren. Mit Hilfe des 2006 erhaltenen Alzheimer Forschungspreises der Hans und Ilse Breuer-Stiftung konnte Herr Steiner hierzu wichtige Einblicke in den molekularen Aufbau der g-Sekretase, ihres aktiven Zentrums, sowie zur Wirkweise von selektiv-wirkenden, speziellen Hemmstoffen des Enzyms, den g-Sekretasemodulatoren, gewinnen. Die Ergebnisse dieser Arbeiten bildeten wichtige Ausgangspunkte für weiterführende Forschungsprojekte von Herrn Steiner zur Funktion der γ-Sekretase.