Proteolytische Mechanismen beim Schädel-Hirn-Trauma

Schädel-Hirn-Verletzungen repräsentieren die Hauptursache für Todesfälle und schwere Behinderung im jungen Erwachsenenalter. Seit längerem ist bekannt, daß nach einer Schädel-Hirn-Verletzung Nerven- und Stützzellen des Gehirns passiv (im Sinne der sogenannten Nekrose) absterben. Darüber hinaus zeigten rezente Untersuchungen, daß ein Teil des traumatisch bedingten Untergangs von Hirnzellen auch auf aktive Prozesse (als Apoptose bezeichnet) zurückzuführen ist. Die genauen Mechanismen, die dem aktiven und passiven Absterben von Nerven- und Stützzellen des Gehirns nach einer Schädel-Hirn-Verletzung zugrunde liegen sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Neue Daten aus unserem Forschungslabor und anderen Forschungsstätten zeigten, daß nach einer experimentellen Hirnverletzung bestimmte eiweißspaltende Faktoren (sogenannte Calpaine und Caspasen) vermehrt gebildet und aktiviert werden. Allerdings ist bis dato noch nicht geklärt, ob diese Calpaine bei der Zellzerstörung durch Nekrose und/oder Apoptose nach einer Schädel-Hirn-Verletzung eine wesentliche Rolle spielen. Weiters ist auch noch nicht erforscht, ob Calpaine die Aktivierung von Caspasen nach einer Schädel-Hirn-Verletzung beeinflussen, so wie dies neue Daten, die an Zellkulturen gewonnen wurden, nahelegen. Caspasen werden aufgrund ihrer biologischen Eigenschaften in zwei große Gruppen unterteilt: Initiator-Caspasen (z.B. Caspase-2, -6, -8 und -9) sowie Effektor- Caspasen (z.B. Caspase-3). Initiator-Caspasen sind in der Lage, direkt oder unter Beteiligung bestimmter Zellstrukturen (sogenannte Mitochondrien) Effektor-Caspasen zu aktivieren. Diese Aktivierung von Effektor- Caspasen führt schließlich zum Absterben von Hirnzellen durch Apoptose. Der genaue Aktivierungsweg der Effektor-Caspase-3 in traumatisch geschädigten Hirngewebe ist derzeit noch nicht bekannt. Ziele unseres Projektes sind daher (1) die Untersuchung möglicher Interaktionen zwischen den Initiator-Caspasen (Caspase-2, -6, -8, und -9) und den Mitochondrien sowie der Effektor-Caspase-3; (2) die Erforschung der Beteiligung von Calpainen an der Apoptose nach einer Schädel-Hirn-Verletzung; (3) die Untersuchung des Einflusses von Calpainen auf die Aktivierung von Initiator- und/oder Effektor-Caspasen; und (4) die Untersuchung der Auswirkung einer Hemmsubstanz, die selektiv Calapine blockiert, auf die Aktivität von Caspasen. Darüber hinaus soll erforscht werden, ob diese Hemmsubstanz letztendlich den apoptotischen Untergang von Hirnzellen verhindern kann und somit zu einer Verbesserung der durch die Schädel-Hirn-Verletzung verursachten Hirnleistungsstörung führt. Aus diesen Daten dürften sich wichtige Rückschlüsse bezüglich therapeutischer Strategien, die zu einer Verbesserung des Zustandes von Patienten mit einer Schädel-Hirn-Verletzung führen sollten, ergeben.

Schädel-Hirn-Verletzungen repräsentieren nach wie vor eine der wesentlichen Ursachen für Mortalität und Morbidität von jungen Erwachsenen. Daten aus dem Neurotraumatologischen Forschungslabor (Leiter: Univ.-Prof. Dr. Andreas KAMPFL) der Univ.-Klinik für Neurologie (Vorstand: o.Univ.-Prof. Dr. Werner POEWE) der Medizinischen Universität Innsbruck sowie von anderen Forschungsstätten zeigten, dass sowohl nach einer experimentellen Hirnverletzung als auch bei Patienten nach einem schweren Schädel-Hirn-Trauma bestimmte Eiweiß-spaltende Faktoren (sogenannte Proteasen) vermehrt gebildet werden und zur Degeneration von Neuronen, Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikrogliazellen beitragen. Aufbauend auf den Ergebnissen des von FWF geförderten Vorprojekts P12287-MED, mit Charakterisierung des sogenannten "extrinsischen Aktivierungsweges" in der apoptotischen Kaskade nach einem experimentellem Schädel-Hirn-Trauma ist es im Rahmen des aktuellen Forschungsprojektes P15308-B05 gelungen, weitere zytosolische Mediatorprozesse, die zum Untergang von Neuronen und Gliazellen beitragen nachzuweisen. So konnte gezeigt werden, dass das zytosolosche Protein Bid nach Liganden-Rezeptor-Interaktion gespalten, d. h. aktiviert wird, und in weiterer Folge in der Lage ist, den "intrinsischen (mitochondrialen) Aktivierungsweg" in der apoptotischen Kaskade auszulösen. Das Aufzeigen einer Verbindung zwischen extrinsischem und intrinsischem Aktivierungsweg bestätigte die Rationale für die Entwicklung von neuen pharmakologischen Substanzen (Proteaseinhibitoren), welche nun im experimentellen Setting auf die postulierten neuroprotektiven Eigenschaften getestet werden. Einen weiteren Schwerpunkt des Forschungsprojektes P15308-B05 bildete der Nachweis von Substanzen (als Amyloid beta 1-42 und tau bezeichnet), die aus geschädigten Nervenzellfortsätzen nach einem schweren Schädel- Hirn-Trauma freigesetzt werden, in der der Zerebrospinalflüssigkeit von Patienten mit diffuser traumatischer Hirnverletzung. Es wurde gezeigt, dass entsprechend der Konzentration der genannten Spaltprodukte im Nervenwasser zu einem frühen Zeitpunkt nach der Hirnverletzung Aussagen über die Prognose mit hoher Wahrscheinlichkeit möglich sind. Diese Arbeit wurde wegen des innovativen Ansatzes im Jahr 2005 mit dem Preis der Ärztekammer für Tirol gewürdigt. Zusammenfassend haben die im FWF-Projekt P15308-B05 erzielten Daten einerseits weiter zum Verständnis der Mechanismen der posttraumatischen Apoptose beigetragen. Darüber hinaus ist eine direkte Verknüpfung der experimentellen Daten mit klinisch relevanten Fragestellungen, insbesondere hinsichtlich Prognose gelungen. Literatur: Franz et al., Neurology 2003;60:1457-1461; Franz et al., J Cereb Blood Flow Metab 2002;22:951-958; Blasko et al., J Neural Transm 2004;111:523-536.