Neutronenforschung offenbart Schwächen der Konservierung mit Formaldehyd bei Gehirngewebe
Die erste Analyse biologischer Prozesse in Gehirngewebe mit Neutronen am Institut Laue-Langevin (ILL) ergab, dass die übliche Verwendung von Konservierungsstoffen mit Formaldehyd wesentliche Eigenschaften, wie z.B. Wasserdiffusionsgeschwindigkeiten, verändert anstatt sie zu erhalten. Die Abbildung von Zellwasser im Hirn ist wesentlich bei postmortalen Analysen verschiedener Gehirnerkrankungen wie Tumoren und Multipler Sklerose in Bezug auf frühere Diagnosen und Behandlungsmöglichkeiten. Diese Ergebnisse legen die Notwendigkeit nahe, bestehende Forschungen auf diesem Gebiet zu überprüfen.
Diese Ergebnisse sind die erste Stufe in der wegweisenden Verwendung von Neutronen durch ein Forscherteam, um die Bewegung von Zellwasser in Gehirngewebe in bisher nicht gekannten Details zu verstehen. Die Bewegungsanalysen bilden die physikalische Grundlage der Diffusionsmagnet-resonanztomografie (dMRT – englisch dMRI = diffusion magnetic resonance imaging) und der Diagnose verschiedener Gehirnerkrankungen. Diese ersten Ergebnisse zeigen, dass Neutronen die Effekte der biologischen Prozesse auf einer 10.000-mal kleineren Skala als dMRT „sehen“ können. Künftig werden Neutronen am ILL dazu dienen, die Zellwasserdynamik in Ex-vivo-Proben von krankem Gehirngewebe mit bisher unerreichter Auflösung zu analysieren, was Ärzten helfen kann, erste Anzeichen dieser Krankheiten zu entdecken und Behandlungsmöglichkeiten zu prüfen.
Zellwasser ist ein wesentlicher Bestandteil unseres Körpers und sein Anteil kann in Gehirnregionen je nach ihrer spezifischen Zusammensetzung variieren. Wasser spielt eine Schlüsselrolle in der Zellregulierung und seine Verteilung und Bewegung ist ein genauer Indikator der Zellstruktur, da es mit verschiedenen Gewebekomponenten wie z.B. Membranen und Nervenfasern eine Wechselwirkung eingeht.
Die dMRT und andere bildgebende Verfahren nutzen Wasserdiffusion als Kontrastmittel zur Entdeckung und Charakterisierung verschiedener Gehirnerkrankungen (z.B. Ischämiesyndrom, Tumoren und – erst kürzlich – erbliche Prionkrankheiten) im Mikrometerbereich (100-fach kleiner als ein menschliches Haar). Auf dieser Skala kann jedoch der Beitrag der makromolekularen Komponenten nicht getrennt werden, sondern es wird über sie gemittelt.
Weil die erreichbare Auflösung bildgebender Standardverfahren zur Erkennung erster Anzeichen von Gehirnerkrankungen begrenzt ist, verwendete man zunehmend Konservierungsverfahren zur Untersuchung krankhafter Zustände in Ex-vivo-Proben. Jedoch beeinträchtigten Bedenken hinsichtlich des Einflusses dieser Konservierungsprozesse auf die grundlegenden Struktur- und Zusammensetzungseigenschaften der Gewebe das Vertrauen in diese Forschungsrichtung.
Um diese Bedenken auszuräumen, verglich Dr. Francesca Natali vom italienischen CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) in Zusammenarbeit mit Dr. Yuri Gerelli, Wissenschaftler am Institut Laue-Langevin (ILL), dem weltweit führenden Zentrum für Neutronenforschung, Prof. J. Peters von der französischen Universität J. Fourier in Grenoble (UJF) und Dr. Calogero Stelletta von der Universität Padua (Italien) das Verhalten von Zellwasser in Ex-vivo-Rindergewebe. Es handelte sich dabei um Zellwasser, das mit zwei üblichen Verfahren konserviert wurde, nämlich durch chemische Fixierung mit Formaldehydlösungen und Kryokonservierung durch Kühlung von Zellen oder ganzen Gewebestücken unterhalb des Gefrierpunkts.
Rindergehirne wurden unmittelbar nach dem Tod des Tieres von einem italienischen Schlachthaus bezogen und mit verschiedenen Verfahren konserviert. Dann wurden die Proben mit quasi-elastischer Neutronenstreuung (QENS) am hochauflösenden IN5-Spektrometer des Institut Laue-Langevin (ILL) untersucht.
Neutronen sind sehr gut geeignet zur Untersuchung biologischen Materials auf atomarer Größen-skala, denn da sie keine Strahlenschäden verursachen, können sie sehr genau jede zeitliche Änderung in den Proben aufzeichnen.
Bei den Analysen fanden Dr. Francesca Natali und ihre Kollegen eine signifikante Verringerung der Wasserbewegung als Folge der Einbringung von Konservierungslösungen auf Formaldehydbasis, möglicherweise aufgrund der Bildung von Verbindungen zwischen Proteinen. In diesen könnte freies Wasser eingefangen und so seine Beweglichkeit verringert worden sein. Ein solcher Effekt wurde bei Proben unter Kryokonservierung nicht beobachtet.
Neben diesen Befunden zeigten die Untersuchungsergebnisse auch erstmals die Leistungsfähigkeit von Neutronen bei der Modellierung der Zellwasserdiffusion in Gehirngewebe. Dieses neue Verfahren könnte dMRT-Spezialisten dabei unterstützen, die Grenzen heutiger bildgebender Verfahren zu verschieben bis hin zur Verbesserung von Diagnosen und zur Untersuchung von Behandlungsmöglichkeiten bei Gehirnerkrankungen.
In einer separaten Studie untersuchte dasselbe Team, wie die Bewegung und Verteilung von Zell-wasser in Gehirngewebe durch Myelin beeinflusst wird, einem Schutzschichten bildenden elektrischen Isolator, bekannt als Hülle um Gehirnzellen-Axonen. Myelin ist verantwortlich für die Beschleunigung elektrischer Impulse auf ihrem Weg entlang Gewebefasern g, und viele neurodegenerative Autoimmunerkrankungen wie Multiple Sklerose sind die Folge seiner Degradation. Mit dem neuen Verständnis der Auswirkungen von Konservierungsverfahren kann das Team mittels Neutronenstreuung die Untersuchung der Bedingungen auf einer atomaren Größenskala beginnen, die zu diesen Autoimmunerkrankungen führen, sowie ihrer Behandlungsmöglichkeiten.
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