Echtzeitüberwachung des Motorneuronentods bei Zebrafischen

Apoptose, oder programmierter Zelltod, ist ein natürlicher Prozess, der in vielen Geweben lebender Tiere vorkommt. Im Nervensystem hilft es, die Anzahl der Nervenzellen zu kontrollieren. In den frühen Entwicklungsphasen sterben viele Nervenzellen durch Apoptose. Dieser Prozess ist auch wichtig, wenn Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson auftreten, wo der Verlust dieser Nervenzellen die normalen Gehirnfunktionen stören kann.

Wenn Apoptose passiert, entweder durch interne Signale oder äussere Faktoren, führt das zur Aktivierung von Enzymen, die Caspasen heissen und die Bestandteile der Zelle abbauen. Dieser Prozess betrifft Nervenzellen genauso wie andere Zelltypen. Aber da Nervenzellen spezielle Strukturen haben, besonders lange Ausläufer, die Axone genannt werden, gibt es noch viele Fragen, die wir über den Zelltod in Neuronen beantworten müssen. Zum Beispiel wollen wir wissen, wie wir den Zelltod von Nervenzellen in lebenden Tieren erkennen können, wie schnell bestimmte Enzyme während des Zelltods aktiviert werden und ob der Zellkörper oder das Axon eines Neurons zuerst stirbt.

Um diese Fragen zu beantworten, werden neue Werkzeuge benötigt, um den Zelltod von Nervenzellen in lebenden Tieren zu überwachen.

#Die Entwicklung eines neuen Werkzeugs

Forscher haben zuvor einen speziellen Sensor entwickelt, der auf der Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) Technologie basiert und der Zelltod von Krebszellen erkennen kann. Wenn dieser Sensor im Labor verwendet wird, ändert er die Farbe von grün nach blau, wenn Zellen sterben. Diese Veränderung kann sowohl in 2D- als auch in 3D-Zellkulturen gesehen werden.

Kürzlich haben sie diese Technologie angewandt, um Sensor-Zebrafische zu erstellen, die eine Echtzeitverfolgung des Motorneuronentods in einem lebenden Organismus ermöglichen. Diese Entwicklung liefert neue Einblicke, wie und wann der Tod von Motorneuronen während der Entwicklung von Zebrafischen erfolgt.

#Erstellung von Sensor-Zebrafischen

Die Forscher haben Sensor-Zebrafische mit einem genetischen Werkzeug namens Tol2-Transposonsystem erstellt. Sie haben den FRET-Sensor in die Zebrafische eingesetzt, sodass nur die Motorneuronen diesen Sensor produzieren. Unter speziellen Lichtern können die Forscher sehen, wann die Motorneuronen lebendig oder tot sind.

Zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Entwicklung fanden sie viele Motorneuronen im Rückenmark der Zebrafische. Ein genauerer Blick auf diese Zellen zeigte eine Gruppe, die zusammenarbeitet, mit ihren Zellkörpern, die in einem Bündel angeordnet sind, und ihren Axonen, die zu einzelnen Muskelblöcken führen.

#Beobachtung von Apoptose in Neuronen

Um herauszufinden, ob Motorneuronen während der Entwicklung sterben, wurden Bilder von den lebenden Zebrafischen gemacht. Die Forscher schauten sich separat die grünen und blauen Signale der Sensoren an. Grüne Signale würden bedeuten, dass die Neuronen lebendig waren, während blaue Signale auf Zelltod hindeuteten. Etwa 30 Stunden nach der Befruchtung begannen einige der Zellkörper der Motorneuronen, blaue Signale zu zeigen, was darauf hindeutete, dass sie starben. Auch die Axone zeigten blaue Signale, was bestätigte, dass beide Teile des Motorneuron Apoptose durchlaufen können.

#Wie schnell passiert Apoptose?

Die während dieser Studie aufgenommenen Bilder zeigten, dass blaue Signale sowohl in den Zellkörpern als auch in den Axonen der sterbenden Motorneuronen auftraten. Zeitrafferaufnahmen ermöglichten es den Forschern, den Prozess genau zu beobachten. Zu einem bestimmten Zeitpunkt waren sowohl der Zellkörper als auch das Axon noch lebendig, aber nur wenige Minuten später begannen sie, die Farbe zu ändern und wurden schliesslich blau.

Das deutete darauf hin, dass die Zellen starben. In den nächsten Minuten zerfielen die sterbenden Zellen in kleinere Teile. Die Ergebnisse zeigten, dass der Prozess des Zelltods schnell und fast gleichzeitig sowohl im Zellkörper als auch im Axon abläuft.

#Die Rate des Motorneuronentods

Frühere Studien deuteten darauf hin, dass während der frühen Entwicklung eine grosse Anzahl von Nervenzellen normalerweise stirbt. In dieser Studie fanden die Forscher jedoch heraus, dass während der Zebrafischentwicklung nur etwa 2 % der Motorneuronen starben. Sie zählten die Anzahl der sterbenden Neuronen zu verschiedenen Zeiten und stellten fest, dass der Höhepunkt des Neuronensterbens zwischen 30 und 36 Stunden nach der Befruchtung lag, was mit der Muskelaktivität bei Zebrafischen zusammenfiel.

Diese niedrige Sterberate ist im Vergleich zu früheren Studien an anderen Tieren überraschend, die gezeigt haben, dass etwa die Hälfte der Motorneuronen während der Entwicklung normalerweise stirbt. Diese Differenz könnte an den einzigartigen Eigenschaften von Zebrafischen liegen oder könnte mit Problemen bei traditionellen Methoden zur Erkennung des Zelltods zusammenhängen.

#Methoden zur Bestätigung

Um ihre Ergebnisse zu bestätigen, verwendeten die Forscher eine Technik namens TUNEL-Färbung, um sterbende Neuronen in gefrorenen Schnitten von Zebrafischen zu identifizieren. Indem sie Neuronen mit einem speziellen grünen Farbstoff markierten, konnten sie rote Signale erkennen, die Apoptose darstellten. Sie analysierten Tausende von Motorneuronen und fanden heraus, dass ihre Ergebnisse mit den Beobachtungen übereinstimmten, die mit dem FRET-Sensor gemacht wurden.

Ausserdem schauten sie sich spezielle Wachstumsfaktoren an, die bekannt sind, um die Gesundheit von Neuronen zu verbessern. Als sie die Mengen dieser Wachstumsfaktoren reduzierten, sahen sie keinen signifikanten Anstieg der sterbenden Neuronen, was darauf hindeutet, dass Motorneuronen von Zebrafischen während der frühen Entwicklung nicht so anfällig für den Tod sind.

#Wie werden sterbende Neuronen entfernt?

Sobald Neuronen sterben, ist es wichtig, ihre Reste zu entfernen, um Entzündungen und weitere Probleme im Körper zu verhindern. Makrophagen, die Hauptreinigungscellen des Körpers, übernehmen normalerweise diesen Prozess. Die Forscher untersuchten, ob Makrophagen in der Nähe sterbender Motorneuronen in den Zebrafischen gefunden werden konnten.

Mit zwei verschiedenen Arten von Zebrafischen, die eine Visualisierung sowohl der Motorneuronen als auch der Makrophagen ermöglichten, beobachteten sie, dass es sehr wenige Fälle gab, in denen Makrophagen die sterbenden Motorneuronen verschlangen. Das deutete darauf hin, dass der Prozess der Beseitigung toter Zellen nicht effizient war.

#Fazit

Diese Studie enthüllte neue Methoden, um den Tod von Motorneuronen in lebenden Zebrafischen mithilfe eines speziellen Sensors zu überwachen. Die Forschung zeigte, dass Caspase-3, ein Schlüssel-Molekül, das an der Apoptose beteiligt ist, schnell im Zellkörper und Axon der Motorneuronen aktiviert wurde. Überraschenderweise zeigte die Studie auch, dass nur etwa 2 % der Motorneuronen während der frühen Entwicklung starben, im Gegensatz zu den Ergebnissen bei anderen Spezies.

Abschliessend hoben die Forscher eine mögliche Lücke in der Fähigkeit der Makrophagen hervor, tote Neuronen im Rückenmark zu entfernen, was darauf hindeutet, dass andere Zelltypen diesen Reinigungsprozess verwalten könnten. Diese Arbeit öffnet die Tür für weitere Forschungen darüber, wie Neuronensterben auftritt und wie man neurodegenerative Erkrankungen in Zukunft besser verstehen kann.