Wie beeinflusst CO2 die Gehirnfunktion – und welche Rolle spielen dabei die Blutgefäße?

Dargestellt ist die mRNA-Expression eines pH-Rezeptors (Gpr4), der eine wesentliche Rolle bei der CO2-induzierten Blutflussantwort spielt, in einem Gefäß des Gehirns (Collagen IV-positiv). Die Expression ist durch eine Co-Färbung gegen den Marker Pecam auf Endothelzellen zurückzuführen. Zellkerne sind durch den Farbstoff DAPI markiert.

Mit dieser Frage haben sich Wissenschaftler rund um die beiden Lübecker Pharmakologen Dr. Jan Wenzel und Prof. Dr. Markus Schwaninger vom Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie am CBBM beschäftigt. In einer Studie, die gerade in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ erschien, untersuchten sie, welchen Effekt eine erhöhte CO2-Konzentration auf das Verhalten und die Atmung hat, wenn der Blutfluss im Gehirn gestört ist.

Im normalen Stoffwechsel des Körpers wird CO2 ständig von den Zellen gebildet. CO2 tritt in erhöhten Konzentrationen im Gehirn auf, wenn es entweder vermehrt gebildet oder ineffizient abtransportiert wird. Der Abtransport aus den Organen hin zur Lunge erfolgt über das Blut. Um den Abtransport zu erleichtern, steigert CO2 den Blutfluss im Gehirns deutlich, eine Reaktion, die bei einer Vielzahl von Erkrankungen wie Bluthochdruck, Diabetes oder Adipositas gestört ist.

Zunächst fanden die Forscher heraus, auf welche Weise CO2 die Durchblutung erhöht. Dafür ist ein spezieller Signalweg in den sogenannten Endothelzellen der Gefäße entscheidend. Interessant waren die Folgen einer verminderten Reaktion der Blutgefäße auf das Verhalten der Tiere. Die Arbeitsgruppe beobachtete, dass eine abgeschwächte Antwort der Gefäße auf CO2, wie sie bei vielen Patienten mit Gefäßerkrankungen auftritt, zu ängstlichem Verhalten und einer unregelmäßigen Atmung der Mäuse führte.

Die Studie, die die Lübecker Forscher zusammen mit Kollegen aus Hamburg, Borstel, Bonn, Berlin, Mannheim und Zürich durchführten, kann die Grundlage für neue Therapien zur Behandlung von Gefäßerkrankungen im Gehirn bilden. In naher Zukunft planen die Forscher, erste Therapieansätze im Labor zu testen und ihre Erkenntnisse auf den Menschen zu übertragen.

 

Publikation:
Wenzel, J., Hansen, C.E., Bettoni, C., Vogt, M.A.., Lembrich, B., Natsagdorj, R., Huber, G., Brands, J., Schmidt, K., Assmann, J.C., Stölting, I., Saar, K., Sedlacik, J., Fiehler, J., Ludewig, P., Wegmann, M., Feller, N., Richter, M., Müller-Fielitz, H., Walther, T., König, G.M., Kostenis, E., Raasch, W., Hübner, N., Gass, P., Offermanns, S., de Wit, C., Wagner, C.A., and Schwaninger, M. (2020) „Impaired endothelium-mediated cerebrovascular reactivity promotes anxiety and respiration disorders in mice” PNAS January 21, 2020 117 (3) 1753-176, 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.1907467117