Die Tiefe Hirnstimulation kann Menschen mit Parkinson helfen, ihre Beweglichkeit zu verbessern. Doch die elektrische Stimulation bestimmter Hirnregionen könnte nicht nur Symptome lindern, sondern auch Nervenzellen schützen. Welche Vorgänge dahinterstecken, ist bislang weitgehend ungeklärt. Ein neues Forschungsprojekt am Universitätsklinikum Würzburg (UKW) will diese Mechanismen nun genauer untersuchen. Dafür arbeiten Juniorprofessorin Prof. Dr. Rhonda McFleder aus der Neurologie und PD Dr. Natascha Schäfer vom Institut für Klinische Neurobiologie zusammen. McFleder bringt ihre Expertise in der Parkinson- und Neurowissenschaft ein, Schäfer ihre Erfahrung in der Biofabrikation und Entwicklung neuronaler 3D-Gewebemodelle. Das Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung (IZKF) fördert das Vorhaben mit rund 545.000 Euro. Die Laufzeit reicht vom 1. September 2026 bis zum 30. September 2029.
Was passiert im Gehirn bei der Tiefen Hirnstimulation
Bei Parkinson sterben unter anderem dopaminerge Nervenzellen in der Substantia nigra (SN) ab. Die Tiefe Hirnstimulation setzt an einer anderen Hirnregion an, dem Nucleus subthalamicus (STN). Dort platzierte Elektroden geben elektrische Impulse ab und können dadurch motorische Beschwerden lindern.
„Unsere bisherigen Forschungsergebnisse zeigen, dass die Tiefe Hirnstimulation nicht nur die Aktivität von Nervenzellen verändert. Sie beeinflusst offenbar auch krankhafte Immunreaktionen, unter anderem die Aktivierung von T-Zellen“, erklärt Rhonda McFleder. Auch das Zusammenspiel von Nervenzellen und Astrozyten, die unter anderem die Funktion von Nervenzellen unterstützen, scheint dabei eine Rolle zu spielen.
Die Forscherinnen vermuten deshalb, dass die schützende Wirkung der Tiefen Hirnstimulation auf einem komplexen Zusammenspiel verschiedener Zelltypen beruht. Die Stimulation könnte krankhaft veränderte Signale zwischen Nervenzellen, Astrozyten und T-Zellen beeinflussen und dadurch dazu beitragen, dopaminerge Nervenzellen zu erhalten.
Zwei Hirnregionen – ein Modell im Labor
Um dieser Frage nachzugehen, entwickelt das Forschungsteam ein neuartiges 3D-Zwei-Kammer-System. Es soll einen wichtigen Teil der Kommunikation zwischen dem STN und der SN im Labor nachbilden.
Dazu werden zwei Kammern mit 3D-Gerüsten aufgebaut. In der einen befinden sich STN-ähnliche Nervenzellen, in der anderen SN-ähnliche Zellen. Eine spezielle Membran trennt die beiden Bereiche. Die Zellkörper bleiben dadurch jeweils in ihrer Kammer, während Axone und Dendriten – die Fortsätze der Nervenzellen – die Trennmembran überwinden können. So entsteht eine definierte Verbindung zwischen den beiden Zellpopulationen.
„Das Projekt fasziniert mich besonders, weil wir mein bestehendes neuronales 3D-Modell zu einem Zwei-Kammer-System weiterentwickeln können. Dadurch können wir gezielt untersuchen, wie die Aktivität der STN-ähnlichen Nervenzellen die Zellen in der anderen Kammer beeinflusst“, sagt Natascha Schäfer. „Das eröffnet uns nicht nur neue Möglichkeiten, um die Wirkung der Tiefen Hirnstimulation bei Parkinson auf molekularer Ebene zu verstehen. Das Modell könnte sich auch für viele weitere neurologische Fragestellungen eignen.“
Die STN-ähnliche Zellpopulation kann in dem Modell gezielt stimuliert werden. Gleichzeitig lässt sich beobachten, wie die SN-ähnlichen Zellen darauf reagieren. Mithilfe von Kalzium-Imaging können die Forscherinnen beispielsweise Veränderungen der neuronalen Aktivität sichtbar machen. Ergänzend untersuchen sie die Zellen mit mikroskopischen Verfahren.
Vom lebenden Organismus ins 3D-Modell
Das neue 3D-System ergänzt die Untersuchungen im lebenden Organismus. Parallel untersuchen McFleder und ihr Team die Wirkung der Tiefen Hirnstimulation in einem Mausmodell. Mithilfe von Einzelzellsequenzierung und räumlicher Transkriptomik wollen sie herausfinden, welche molekularen und zellulären Veränderungen die Stimulation auslöst und welche Signalwege in den verschiedenen Zelltypen beteiligt sind.
Die Ergebnisse aus dem Tiermodell liefern anschließend Ansatzpunkte für die Untersuchungen im 3D-System. Dort können einzelne Faktoren gezielt verändert und ihre Auswirkungen unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden.
„Mit den beiden Ansätzen können wir eine Brücke schlagen: Wir sehen zunächst, was die Tiefe Hirnstimulation im komplexen biologischen System verändert und können anschließend einzelne Mechanismen im 3D-Modell gezielt untersuchen“, erläutert McFleder.
Perspektive für neue Parkinson-Therapien
Die Forscherinnen hoffen, mit dem Projekt besser zu verstehen, warum die Tiefe Hirnstimulation möglicherweise über die Linderung motorischer Symptome hinaus neuroprotektive Effekte hat. Dieses Wissen könnte langfristig helfen, neue Behandlungsansätze zu entwickeln, die bestimmte Wirkungen der Tiefen Hirnstimulation nachahmen, ohne dass dafür ein operativer Eingriff notwendig ist.
Auch das 3D-Modell selbst soll weiterentwickelt werden. Perspektivisch könnten dafür aus Patientenzellen gewonnene induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) und patienteneigene T-Zellen eingesetzt werden. So ließen sich die krankheitsrelevanten Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen individuell untersuchen.
Für Natascha Schäfer ist auch die Möglichkeit, die Forschung langfristig ohne Tiermodelle fortzuführen, ein wichtiger Aspekt: „Wenn es uns gelingt, das System entsprechend weiterzuentwickeln, könnte die Forschung in einem nächsten Schritt vollständig mit menschlichen Zellen durchgeführt werden. Diese Perspektive ist für mich ein besonderes Anliegen.“
