Die Rolle von Kupfer bei der Parkinson-Krankheit

Die Belastung durch Kupfer in der Umwelt und das Alpha-Synuclein-Protein im menschlichen Gehirn könnten eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Parkinson-Krankheit spielen: Die Ergebnisse der Forscher könnten zur Entwicklung neuer Strategien für die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen beitragen.

Lange vor dem Auftreten des typischen Muskelzitterns könnte das Auftreten von defekten Proteinen im Gehirn ein frühes Anzeichen für die Parkinson-Krankheit sein, obwohl die Ursachen noch nicht vollständig bekannt sind. Forschende der Empa und der Universität Limerick in Irland haben nun die abnorme Form dieser Alpha-Synukleine in Form von Proteinringen genauer unter die Lupe genommen und konnten so auch den Zusammenhang mit der Umweltverschmutzung durch Kupfer im Nanomassstab sichtbar machen. Dies wirft ein neues Licht auf die Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen und die Rolle von Biometallen im Krankheitsprozess. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse Möglichkeiten zur Verbesserung der Frühdiagnose und der Behandlung der Krankheit bieten.

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Metallverdächtig

Über die Parkinson-Krankheit ist bekannt, dass Neuronen im Gehirn absterben, was einen Mangel an dem Neurotransmitter Dopamin verursacht. In den fortgeschrittenen Stadien der Krankheit führt dies zu Muskelzittern, Muskelsteifheit und sogar zu Unbeweglichkeit. Diese langsam fortschreitende Krankheit ist nach der Alzheimer-Krankheit die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung der Welt. Umweltfaktoren wie Pestizide oder Metalle könnten den Ausbruch von Parkinson begünstigen. Das Team um den Empa-Forscher Peter Nirmalraj vom Labor „Transport at Nanoscale Interfaces“ untersucht diese Hypothese mit Hilfe von chemischen Bildgebungs- und Spektroskopietechniken und – in Zusammenarbeit mit dem Team von Damien Thompson von der Universität Limerick – mit Computersimulationen. Die Forscher nehmen ein Protein ins Visier, das an mehreren molekularen Prozessen bei der Entstehung der Parkinson-Krankheit beteiligt ist: Alpha-Synuclein. Bei den Betroffenen aggregiert dieses körpereigene Protein und verursacht den Tod der Nervenzellen. Die Forscher vermuten, dass Kupfer in hohen Konzentrationen in diese Prozesse eingreift und den Krankheitsprozess beschleunigt.

Die Ringe des Teufels

Um die Aggregation von Alpha-Synuclein auf der Nanoskala sichtbar zu machen, stellte die Empa-Forscherin Silvia Campioni vom Labor für Zellulose und Holzwerkstoffe das Protein künstlich her. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie konnten die Forschenden dann über einen Zeitraum von zehn Tagen beobachten, wie das Protein zunächst in Lösung einzelne unlösliche fadenförmige Strukturen bildete, bevor es sich schliesslich zu einem dichten Netzwerk von Fibrillen zusammenballte. Anhand der Bilder lässt sich die Umwandlung des löslichen Proteins in agglomerierte Fibrillen von etwa 1 Mikrometer Länge, wie sie beim Fortschreiten der Krankheit auftritt, mit beeindruckender Genauigkeit im Labor beobachten. Fügten die Forscher der Proteinlösung dann Kupferionen hinzu, zeigten sich unter dem Mikroskop völlig andere Strukturen: Ringförmige Proteinstrukturen von etwa 7 Nanometern, so genannte Oligomere, erschienen innerhalb weniger Stunden in der Röhre. Die Existenz solcher Ring-Oligomere und ihre zellschädigende Wirkung sind bereits bekannt. Zudem traten die längeren faserartigen Strukturen früher auf als in einer kupferfreien Lösung. „Einerseits scheinen hohe Dosen von Kupfer den Aggregationsprozess zu beschleunigen“, sagt Peter Nirmalraj. Andererseits entwickelt sich diese ungewöhnliche ringförmige Proteinstruktur unter dem Einfluss von Kupfer aber auch relativ schnell, was den Beginn des pathologischen Prozesses markieren oder sogar auslösen könnte. Die Forscher analysierten die Bindung von Kupferionen an alpha-Synuclein auch mit Computersimulationen der Molekulardynamik in kleinen Schritten von 10 bis 100 Nanosekunden.

Erstes Experiment

Da sich die Oligomerringe zu Beginn der Proteinumwandlung bilden, könnten sie als Angriffspunkte für neue Therapieformen genutzt werden, hofft Nirmalraj. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse zur Entwicklung eines Tests für Parkinson beitragen, mit dem die Krankheit in einem frühen Stadium in Körperflüssigkeiten nachgewiesen werden kann, z. B. anhand von Proben der Rückenmarksflüssigkeit.

Die Parkinson-Krankheit in Kürze

Die Parkinson-Krankheit ist eine chronisch fortschreitende neurodegenerative Erkrankung (Absterben von Nervenzellen), bei der es zu Problemen mit der Beweglichkeit des Körpers kommt, mit verlangsamten Bewegungen, Muskelsteifheit und Zittern.

Es handelt sich um eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen mit etwa 10 Millionen Betroffenen weltweit. Die meisten „Parkinsonianer“ sind zum Zeitpunkt der Diagnose über 60 Jahre alt, und Männer sind häufiger betroffen als Frauen.

Erstmals beschrieben wurde die Krankheit 1817 von dem englischen Arzt James Parkinson (daher der Name), und obwohl die Forschung seither große Anstrengungen unternommen hat, um ihren Ursprung zu ergründen, sind die genauen Ursachen der Parkinson-Krankheit nach wie vor unbekannt. Die derzeitigen Behandlungen können die Symptome lindern, das Fortschreiten der Krankheit jedoch nicht aufhalten oder stoppen.

Quelle: EMPA