Neue Erkenntnisse zur ECHS1-Defizienz in Mausmodellen

ECHS1-Mangel (ECHS1D) ist eine seltene genetische Erkrankung, die auftritt, wenn es Mutationen im ECHS1-Gen gibt. Diese Krankheit folgt einem autosomal-rezessiven Muster, was bedeutet, dass eine betroffene Person das fehlerhafte Gen von beiden Eltern geerbt hat. Wenn beide Kopien des ECHS1-Gens nicht funktionieren, treten verschiedene Probleme im Körper auf. Seit der Identifizierung dieser Erkrankung im Jahr 2014 haben Forscher 40 verschiedene Mutationen dokumentiert, die damit verbunden sind. Diese Mutationen können beeinflussen, wie der Körper Fette und bestimmte Aminosäuren verarbeitet, die die Bausteine von Proteinen sind.

#Symptome von ECHS1D

Menschen mit ECHS1D zeigen mehrere ernsthafte Symptome, die Leigh-Syndrom ähneln, einer neurologischen Störung. Betroffene haben oft schwere Entwicklungsverzögerungen, Muskelschwäche (Hypotonie), unwillkürliche Muskelkontraktionen (Dystonie), Anfälle und Wachstumsprobleme.

Häufige hirnbezogene Probleme sind Schäden an bestimmten Bereichen, die als Basalganglien bekannt sind, und eine Ansammlung von Laktat im Gehirn. Die Schwere dieser Symptome kann von Person zu Person stark variieren. Mit dem Fortschreiten der Erkrankung können Gehirnstrukturen, insbesondere das Kleinhirn, das für Koordination und Gleichgewicht wichtig ist, schrumpfen. Zudem könnten Anfälle im Laufe der Zeit häufiger und schwerer werden.

In Hirngewebe von Personen mit mitochondrialen Erkrankungen sind zwei häufige Beobachtungen Neuroinflammation (Entzündung des Gehirns) und das Vorhandensein abnormaler, mit Flüssigkeit gefüllter Räume (Vakuolisierung). Leider wurde nur bei einer Person mit ECHS1D das Gehirn nach dem Tod untersucht, sodass unser Wissen darüber, wie diese Erkrankung das Gehirn beeinflusst, noch begrenzt ist.

#Die Rolle von ECHS1 im Körper

Das ECHS1-Gen spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieverarbeitung im Körper. Ein Mangel an funktionellem ECHS1 scheint wesentlich zur Ansammlung bestimmter Metaboliten, die von einer Aminosäure namens Valin stammen, beizutragen. Das hat Forscher zu der Annahme geführt, dass Probleme beim Abbau von Valin ein wesentlicher Faktor für den Verlauf der Erkrankung sein könnten.

Einige Patienten haben versucht, ihre Aufnahme von Valin zu reduzieren, und die Ergebnisse waren gemischt; einige sahen Verbesserungen, während andere nicht. Forscher vermuten, dass, wenn valinbezogene Substanzen in den Mitochondrien (den Energie-Fabriken der Zelle) zu viel ansammeln, sie die normale Zellfunktion stören.

Studien haben ergeben, dass in Hautzellen von Patienten die Aktivität in wichtigen energieproduzierenden Systemen geringer war, was auf Probleme mit der Energieproduktion hinweist. In Experimenten mit Zellen, denen ECHS1 fehlt, gab es ebenfalls auffällige Probleme, wie gut diese Energiesysteme funktionierten.

#Entwicklung eines Tiermodells

Um ECHS1D besser zu verstehen, entwickelten Forscher ein neues Tiermodell mit Mäusen. Sie fanden heraus, dass eine signifikante Reduzierung der ECHS1-Spiegel bei diesen Mäusen deren Fähigkeit zu trainieren und Schmerzen zu empfinden, beeinträchtigte. Die ECHS1D-Mäuse zeigten ungewöhnliche Gehirnaktivität und Schlafprobleme sowie eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, Anfälle zu haben.

Interessanterweise schien die Leberfunktion dieser Mäuse normal zu sein, und es gab keine Anzeichen von Energieproblemen. Als sie jedoch eine valinreiche Diät erhielten oder einem Mittel ausgesetzt wurden, das Entzündungen verursacht, stieg ihre Anfallgefahr erheblich, was darauf hindeutet, dass sowohl eine mangelhafte Valinverstoffwechselung als auch Entzündungen beitragende Faktoren sind, die die Manifestation der Krankheit beeinflussen.

#Materialien und Methoden

Zur Erstellung des ECHS1D-Mausmodells wurden spezielle Zuchttechniken angewendet. Forscher modifizierten das ECHS1-Gen in Mäusen, um die Auswirkungen von sowohl gain-of-function als auch loss-of-function Mutationen zu untersuchen. Dies beinhaltete die Verwendung einer Methode namens CRISPR/Cas9, um Mutationen in das ECHS1-Gen einzufügen.

Die Tiere wurden in kontrollierten Bedingungen sorgfältig überwacht, mit Aufmerksamkeit auf ihre Ernährung, Wasserzufuhr und Umgebung. Gewebeproben wurden von den Mäusen entnommen, um die Spiegel des ECHS1-Proteins zu analysieren und zu beurteilen, wie gut das Protein funktionierte.

Anschliessend wurden eine Reihe von Verhaltenstests an den Mäusen durchgeführt, um Dinge wie motorische Fähigkeiten, Gedächtnis und Reaktionen auf Schmerz zu bewerten.

#Verhaltenstests

Forscher wollten sehen, wie sich ECHS1D-Mäuse im Vergleich zu normalen Mäusen in Bezug auf Verhalten, motorische Fähigkeiten und Reaktionen auf Reize schlagen. Es wurden verschiedene Tests durchgeführt:

1. Rotarod-Test - Dieser Test bewertet Koordination und Gleichgewicht. Mäuse werden auf eine rotierende Stange gesetzt, und die Zeit, die sie darauf bleiben können, wird gemessen.

2. Hot-Plate-Test - Dieser Test misst die Schmerzreaktion, indem Mäuse auf eine beheizte Oberfläche gesetzt werden und beobachtet wird, wie schnell sie auf die Hitze reagieren.

3. Open-Field-Test - Mäuse werden in einem offenen Bereich platziert, um zu sehen, wie viel sie erkunden, was hilft, Aktivitätsniveaus und Angst zu bewerten.

4. Elevated Plus Maze - Dieser Test misst Angst, indem Mäuse in ein Labyrinth mit offenen und geschlossenen Bereichen gesetzt werden.

5. Fear Conditioning - Dies bewertet das Gedächtnis, indem ein Geräusch mit einem leichten Schock assoziiert wird.

6. Pre-Pulse-Inhibition - Dies testet die sensorische Verarbeitung, indem gemessen wird, wie erschrocken Mäuse auf plötzliche Geräusche reagieren.

Die Tests zeigten, dass ECHS1D-Mäuse Schwierigkeiten mit der Koordination hatten und Anzeichen einer abnormalen Schmerzreaktion zeigten, aber ihre allgemeinen Angstniveaus und das Erkundungsverhalten schienen normal zu sein.

#Neurologischer Phänotyp

Eine weitere Analyse wurde durchgeführt, um die neurologischen Auswirkungen von ECHS1D bei Mäusen zu verstehen. Forscher zeichneten die Gehirnaktivität mithilfe von Sensoren auf, um die elektrischen Signale im Gehirn zu bewerten. Die ECHS1D-Mäuse zeigten eine erhöhte Aktivität in niederfrequenten Gehirnwellen, was auf gestörte Muster der Gehirnaktivität hindeutet.

#Anfallsanfälligkeit

Um die Neigung zu Anfällen zu bewerten, induzierten Forscher Anfälle bei ECHS1D-Mäusen mit einer Substanz namens Pentylenetetrazol (PTZ). Während normale Mäuse keine Anfälle entwickelten, waren die ECHS1D-Mäuse nach nur wenigen Dosen anfälliger für Anfälle und zeigten insgesamt schlechtere Reaktionen im Vergleich zu ihren gesunden Artgenossen.

#Laktatspiegel im Gehirn

Laktatspiegel im Gehirn sind oft bei mitochondrialen Erkrankungen verändert. Obwohl es keine signifikanten Unterschiede in den Laktatspiegeln im Blut der ECHS1D-Mäuse im Vergleich zu normalen Mäusen gab, untersuchten die Forscher das Gehirn speziell mit bildgebenden Verfahren. Sie bemerkten möglicherweise einen Anstieg der Laktatspiegel, obwohl die Ergebnisse inkonsistent waren.

#Neuroinflammation

Forscher untersuchten, ob Entzündungen im Gehirn der ECHS1D-Mäuse vorhanden waren. Mithilfe von Färbetechniken beobachteten sie eine erhöhte Reaktivität bestimmter Gehirnzellen, die als Mikroglia bekannt sind, was auf ein höheres Mass an Entzündung hindeutet. Die Veränderungen in diesen Zellen könnten darauf hindeuten, dass Entzündungen zu den neurologischen Symptomen führen, die bei ECHS1D beobachtet werden.

#Metabolische Analyse

Da ECHS1 mit dem Metabolismus in Verbindung steht, analysierten die Forscher den metabolischen Zustand der ECHS1D-Mäuse. Sie beobachteten Veränderungen in verschiedenen Metaboliten in der Leber, und einige Aminosäurewerte waren bei den ECHS1D-Mäusen signifikant höher. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Fehlen von ECHS1-Aktivität möglicherweise einen umfassenderen Einfluss auf den Aminosäuremetabolismus haben könnte.

#Ernährungseinflüsse

Um den Effekt der Ernährung auf die Krankheit zu verstehen, untersuchten die Forscher, wie eine valinreiche Ernährung ECHS1D-Mäuse beeinflusste. Sie fanden heraus, dass eine valinreiche Diät die Anfallssymptomatik verschlechterte, was die Theorie unterstützt, dass Probleme beim Abbau von Valin die Schwere der Erkrankung mitbestimmen könnten.

#Entzündungsreaktionen

Um zu verstehen, wie Entzündungsreaktionen ECHS1D-Mäuse beeinflussten, erhielten sie eine chemische Substanz, die Entzündungen induziert. Die ECHS1D-Mäuse waren empfindlicher gegenüber dieser Behandlung, verloren an Gewicht und zeigten mehr Anzeichen schlechter Gesundheit als normale Mäuse. Diese erhöhte Empfindlichkeit spiegelt die Erfahrungen von Patienten wider, bei denen Infektionen oft zu verschärften Symptomen führen.

#Fazit

Diese Studie markiert die erste Erstellung eines Mausmodells für ECHS1-Mangel und beleuchtet die Symptome und Herausforderungen, mit denen Betroffene dieser seltenen Erkrankung konfrontiert sind. Das Verständnis dieser Faktoren ist entscheidend für die Entwicklung neuer Behandlungen für Patienten, die derzeit eingeschränkte Optionen haben. Dieses neue Tiermodell kann Forschern helfen, mehr über die Mechanismen hinter ECHS1D zu erfahren und den Weg für potenzielle Therapien zu ebnen.

#Nächste Schritte

Zukünftige Studien werden weiter untersuchen, wie sich die Valinrestriktion auf ECHS1D-Mäuse auswirkt und die gemeinsamen Effekte von Ernährung und Entzündung auf die Schwere der Symptome bewerten. Forscher wollen klären, wie ECHS1D voranschreitet und welche potenziellen Auswirkungen es auf breitere mitochondriale Erkrankungen haben könnte. Das Verständnis dieser Effekte wird der Schlüssel zur Bereitstellung besserer Pflege- und Behandlungsoptionen für Personen mit ECHS1-Mangel sein.