Eisen im Gehirn

Wir entwickeln neue Methoden der Magnetresonanztomographie (MRT), um ohne chirurgischen Eingriff zu untersuchen, wie sich Metalle wie Eisen im Gehirn anreichern und dadurch die Gesundheit des Gehirns sowie Erkrankungen besser überwachen zu können.

In unserem Comic sind ein junger Mensch und ein älterer Mensch zu sehen, die mit dem Fahrrad durch Leipzig fahren. Das rostige Fahrrad des Älteren gibt Anlass zu einem Gespräch über das Gehirn, das ebenfalls „rosten“ kann. Zunächst vertritt der Ältere eine pessimistische Weltanschauung, erwähnt dann aber, dass Forscher*innen in Leipzig genau dieses “Rosten” des Gehirns untersuchen. In diesem Moment fahren die Beiden am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften vorbei.

Das Gehirn benötigt die richtige Menge an Eisen. Eisen spielt eine wesentliche Rolle dabei, die Kommunikation zwischen den Gehirnzellen zu ermöglichen, die Schutzhülle um die Nervenfasern aufzubauen und die Energieversorgung des Gehirns zu unterstützen. Insbesondere in der Kindheit ist ausreichend Eisen wichtig für die richtige Entwicklung und Funktion des Gehirns. Mit zunehmendem Alter reichert sich jedoch Eisen in bestimmten Hirnregionen an, und zu viel Eisen in den Zellen kann schädliche chemische Reaktionen auslösen – in gewisser Weise können Gehirnzellen also „rosten“. Bei der Parkinson-Krankheit beispielsweise reichern sich in den Zellen, die unsere Körperbewegungen koordinieren, ungewöhnlich hohe Eisenmengen an, bevor sie absterben. Der Verlust dieser Zellen führt zu den für die Krankheit charakteristischen Bewegungsstörungen. 

Sowohl zu wenig Eisen in der Kindheit als auch zu viel Eisen im Alter können also schädlich sein, und es wäre für Ärzt*innen hilfreich, messen zu können, wie viel Eisen in welchen Zellen vorhanden ist. Da das Gehirn im Schädel verborgen ist, können wir nicht einfach eine Probe entnehmen, um festzustellen, wie viel Eisen vorhanden ist. Die MRT löst dieses Problem: Sie erstellt Bilder des Gehirns ohne chirurgischen Eingriff und kann Eisen indirekt nachweisen, weil Eisen magnetisch und die MRT sensibel für diese magnetischen Eigenschaften ist.

Wir nutzen einen leistungsstarken MRT-Scanner als Supermikroskop, um die Struktur und Biochemie winziger Hirnregionen sichtbar zu machen. Allerdings reicht selbst die Auflösung der stärksten Scanner nicht aus, um einzelne Zellen in einem lebenden Menschen abzubilden. Zu diesem Zweck verwenden wir mathematische Modelle, um anhand der MRT-Bilder Werte auf zellulärer Ebene vorherzusagen. Wir nutzen den MRT-Scanner nicht zur Behandlung von Parkinson oder anderen neurodegenerativen Erkrankungen, sondern zur Entwicklung von Methoden, mit denen gefährdete Zellen bereits in einem frühen Krankheitsstadium erkannt und neue Therapien entwickelt werden können. Wir haben gezeigt, dass die Messung im Gewebe von Verstorbenen zuverlässig funktioniert, doch es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um nachzuweisen, dass sie im Gehirn von lebenden Menschen ebenso gut funktioniert. Als Teil des internationalen Forschungsnetzwerks „HISTOPARK“ untersuchen wir derzeit, wie gut dieser Marker in vivo (im lebenden Organismus) funktioniert.

Wie lässt sich Eisen in verschiedenen Zelltypen und in unterschiedlichen Formen – das „gute“ und das “böse“ Eisen – am besten unterscheiden? Wie können wir aussagekräftige Messgrößen für das Gehirn entwickeln, die verschiedene Aspekte der Zellstruktur des Gehirns sichtbar machen? Wie können wir die Methode von unseren sehr leistungsstarken Forschungsscannern auf klinische Scanner mit schwächerem Magnetfeld und geringerer Auflösung übertragen, um frühe Anzeichen der Parkinson-Krankheit zu erkennen? Wie können wir verhindern, dass wichtige Zellen unter einer Eisenüberladung leiden und gleichzeitig den für eine ordnungsgemäße Gehirnfunktion notwendigen Eisenspiegel aufrechterhalten? Wie früh und wie gut können wir das Risiko einer Parkinson-Erkrankung bei einer Person mittels MRT vorhersagen?

Eisen spielt eine entscheidende Rolle für die gesunde Entwicklung und normale Funktion des Gehirns sowie bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen. Wir entwickeln Methoden, um den Eisengehalt im Gehirn über die gesamte Lebensspanne hinweg ohne chirurgischen Eingriff zu überwachen, indem wir die MRT zu einem quantitativen Diagnoseinstrument machen. Eisen spielt eine Schlüsselrolle bei der Parkinson-Krankheit, einer langsam fortschreitenden neurodegenerativen Erkrankung, die die Gehirnzellen bereits viele Jahre vor dem Verlust der motorischen Kontrolle beeinträchtigt. Unsere Studie soll unser Verständnis der frühen Prozesse der Parkinson-Krankheit und verwandter Erkrankungen vertiefen. MRT kann einen Einblick in den Eisengehalt des Gehirns eröffnen und so Grundlagenforscher*innen und Mediziner*innen dabei helfen, die Gesundheit des Gehirns von der Kindheit bis ins hohe Alter zu beurteilen. Durch die frühzeitige Erkennung einer zellspezifischen Eisenüberladung hoffen wir, neurodegenerative Erkrankungen diagnostizieren und schließlich behandeln zu können, bevor eine Fahrradfahrt zur Qual wird.

Unsere Forschung vertieft mit der MRT unser Verständnis des Gehirns. Eine große Chance der MRT besteht darin, die Parkinson-Krankheit bereits in ihrem „stillen“ Stadium zu erkennen, wenn der Schutz der Gehirnzellen möglicherweise noch möglich ist. Über Parkinson hinaus könnte dieselbe Technologie dazu beitragen, Alterungsprozesse, Depressionen oder andere Hirnerkrankungen besser zu verstehen, bei denen frühe Veränderungen bisher unbemerkt bleiben. Aber bei unserem Projekt geht es nicht nur um Technologie. Es verbindet auch Menschen miteinander: Patient*innen, Angehörige und Forschende aus ganz Europa und Kanada tauschen sich aus und arbeiten zusammen. Freiwillige nehmen an sanften Schlaftests teil, stellen kleine DNA-Proben zur Verfügung und kommen über mehrere Jahre hinweg zu Folgeuntersuchungen zurück. Ihre Daten – Millionen von Gehirnpixeln, Schlafrhythmen und genetischen Mustern – werden mithilfe von Computermodellen kombiniert, die lernen, frühe Warnzeichen zu erkennen.

Wir nutzen den MRT-Scanner als Gerät zur Messung der physikalischen und biologischen Eigenschaften des Gehirns. Diese Methoden bezeichnen wir als quantitative MRT, im Gegensatz zur herkömmlichen MRT in Kliniken. Mithilfe unserer fortschrittlichen MRT-Methoden erstellen wir Aufnahmen vom Gehirn einer großen Gruppe von Proband*innen, darunter gesunde Teilnehmer*innen, Patient*innen mit Schlafstörungen und Personen, bei denen kürzlich die Parkinson-Krankheit diagnostiziert wurde. Wir werden neu entwickelte Algorithmen zur Bildanalyse und fortschrittliche statistische Modelle einsetzen, um kleine Veränderungen in den Gehirnstrukturen zu erkennen, die Schlaf und Bewegung steuern. Darüber hinaus untersuchen wir gespendete Gehirne von verstorbenen Personen, um diese kleinen Regionen im Gehirn präzise zu kartieren. Durch die Integration von Methoden aus der Anatomie, der medizinischen Physik und der Statistik wollen wir neue Erkenntnisse über die Gehirnprozesse von Parkinson-Patienten gewinnen.

Weitere Informationen finden Sie auf unserer Website: https://www.cbs.mpg.de/neurophysics/third-party-funding/histopark

Ein Video, das erklärt, wie die MRT uns bei der Diagnose und Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen helfen kann, finden Sie hier: https://www.cbs.mpg.de/departments/neurophysics/gallery – und in voller Länge hier:https://lt.org/publication-plus/how-can-magnetic-resonance-imaging-mri-help-us-diagnose-and-treat-neurodegenerative/

Weiskopf, N.; Edwards, L. J.; Helms, G.; Mohammadi, S.; Kirilina, E. Quantitative Magnetic Resonance Imaging of Brain Anatomy and in Vivo Histology. Nat. Rev. Phys. 2021, 3 (8), 570–588. https://doi.org/10.1038/s42254-021-00326-1.

Zecca, L.; Youdim, M. B. H.; Riederer, P.; Connor, J. R.; Crichton, R. R. Iron, Brain Ageing and Neurodegenerative Disorders. Nat. Rev. Neurosci. 2004, 5 (11), 863–873. https://doi.org/10.1038/nrn1537.

Ward, R. J.; Zucca, F. A.; Duyn, J. H.; Crichton, R. R.; Zecca, L. The Role of Iron in Brain Ageing and Neurodegenerative Disorders. Lancet Neurol. 2014, 13 (10), 1045–1060. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(14)70117-6.

Brammerloh, M.; Morawski, M.; Friedrich, I.; Reinert, T.; Lange, C.; Pelicon, P.; Vavpetič, P.; Jankuhn, S.; Jäger, C.; Alkemade, A.; Balesar, R.; Pine, K.; Gavriilidis, F.; Trampel, R.; Reimer, E.; Arendt, T.; Weiskopf, N.; Kirilina, E. Measuring the Iron Content of Dopaminergic Neurons in Substantia Nigra with MRI Relaxometry. NeuroImage 2021, 239, 118255. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118255. https://physics.aps.org/articles/v17/101

Brammerloh, M., Sibgatulin, R., Herrmann, KH., Morawski M., Reinert T., Jäger C., Müller R., Falkenberg G., Brückner D., Pine, K, Deistung, A., Kiselev, V., Reichenbach, J.R., Weiskopf, N. and Kirilina, E. In Situ Magnetometry of Iron in Human Dopaminergic Neurons Using Superresolution MRI and Ion-Beam Microscopy Phys. Rev. X 2024, 14, 021041 https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.021041