Dennis Lenz
Körpereigene Abwehrzellen nutzen offenbar dieselbe chemische Sprache wie Nervenzellen und geben Botenstoffe wie Dopamin und Adrenalin gezielt ab. Ein Team der Universität Münster und der Ruhr-Universität Bochum konnte diesen Vorgang erstmals in Echtzeit an einzelnen lebenden Zellen sichtbar machen. Möglich wurde das durch winzige fluoreszierende Nanosensoren, die selbst kleinste Mengen freigesetzter Katecholamine registrieren. Die Freisetzung bremst eine überschießende Immunreaktion und verknüpft die Abwehr unmittelbar mit der Blutgerinnung.
Das Immunsystem und das Nervensystem galten lange als getrennte Steuerungssysteme des Körpers, die jeweils eigene Signalwege nutzen. Nervenzellen verständigen sich über Neurotransmitter, chemische Botenstoffe, die an Kontaktstellen zwischen den Zellen freigesetzt werden und Reize in Millisekunden weitergeben. Zu diesen Botenstoffen zählen die Katecholamine, eine Stoffgruppe, zu der unter anderem Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin gehören. Sie regeln Wachheit, Kreislauf und die schnelle Reaktion des Körpers auf Belastung. Immunzellen wiederum verteidigen den Organismus gegen Krankheitserreger und verständigen sich klassischerweise über sogenannte Zytokine. Dass beide Systeme eng miteinander verzahnt sind, ist seit Jahren bekannt, doch die molekularen Details dieses Austauschs blieben schwer zugänglich. Vor allem fehlten bislang Methoden, um die Abgabe einzelner Botenstoffe aus lebenden Zellen unmittelbar zu beobachten und zeitlich präzise zu vermessen.
Im Zentrum der neuen Arbeit stehen die neutrophilen Granulozyten, kurz Neutrophile. Sie sind die häufigsten weißen Blutkörperchen im menschlichen Blut und bilden die erste Verteidigungslinie gegen bakterielle Infektionen. Neutrophile wandern innerhalb kürzester Zeit an Entzündungsherde, verschlingen Erreger und setzen aggressive Substanzen frei. Bislang wurden sie vor allem als schnelle, eher grob agierende Zellen der angeborenen Abwehr verstanden. Die Frage, ob solche Zellen aktiv Neurotransmitter aufnehmen, speichern und kontrolliert wieder abgeben können, war offen, weil die dafür nötige Messtechnik fehlte. Genau hier setzt die Untersuchung an, die im Fachjournal Advanced Science erschienen ist und in der Forscher zweier deutscher Universitäten neuartige optische Sensoren mit klassischen bildgebenden Verfahren kombinierten. Damit ließ sich erstmals verfolgen, wie einzelne Immunzellen chemische Botenstoffe in ihrer unmittelbaren Umgebung ausschütten.
Den entscheidenden Fortschritt ermöglichten fluoreszierende Sensoren aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, die empfindlich auf Katecholamine reagieren. Diese Nanosensoren verändern ihr Leuchten, sobald Botenstoffe wie Dopamin oder Adrenalin in ihre Nähe gelangen, und machen deren Freisetzung dadurch unter dem Mikroskop live sichtbar. In der von der Medizinischen Fakultät der Universität Münster mitgeteilten Studie kombinierten die Wissenschaftler diese Technik mit weiteren bildgebenden Verfahren zu einem multimodalen Ansatz. So ließ sich nicht nur nachweisen, dass Neutrophile Katecholamine überhaupt aufnehmen, sondern auch, wann und wie schnell sie diese wieder ausschütten. Als Auslöser der Freisetzung erwiesen sich typische Entzündungssignale, darunter der Botenstoff Serotonin sowie Bestandteile von Bakterien. Die Messungen erreichten eine zeitliche Auflösung, die bisherige Verfahren nicht boten und die den Blick auf sekundenschnelle Vorgänge in einzelnen Zellen öffnete.
Das überraschende Ergebnis lautet, dass Neutrophile denselben molekularen Werkzeugkasten besitzen wie Nervenzellen. Sie nehmen Katecholamine aus ihrer Umgebung auf, verpacken sie in kleine membranumschlossene Bläschen, sogenannte Vesikel, und geben sie bei einem Entzündungsreiz gezielt wieder ab. Dieser Ablauf entspricht in seinen Grundzügen dem, was Neuronen an ihren Kontaktstellen tun, wenn sie Signale weitergeben. Dass ausgerechnet die schnellen Zellen der angeborenen Abwehr über eine derart fein regulierte Ausschüttung verfügen, war so nicht erwartet worden. Bereits frühere Beobachtungen deuteten darauf hin, dass diese weißen Blutkörperchen weit mehr Aufgaben übernehmen als reine Erregerbekämpfung, etwa wenn sie im Zusammenspiel von Immunsystem und Stoffwechsel eine unerwartete Rolle spielten. Die neue Arbeit fügt diesem Bild eine weitere, bislang unbekannte Funktion hinzu.
Die freigesetzten Katecholamine bleiben nicht wirkungslos, sondern greifen unmittelbar in die Immunantwort ein. Sie dämpfen eine überschießende Reaktion der Neutrophilen und fördern zugleich die Blutgerinnung, wodurch eine direkte Verbindung zwischen Abwehr- und Gefäßsystem entsteht. Dieser Rückkopplungsmechanismus könnte erklären, wie der Körper eine Entzündung lokal begrenzt und gleichzeitig die Wundheilung vorbereitet. Um zu prüfen, ob der Vorgang nicht nur in der Zellkultur, sondern auch im Menschen abläuft, analysierten die Forscher in ihrer im Fachjournal Advanced Science veröffentlichten Untersuchung zusätzlich die Genaktivität bei gesunden Probanden, bei denen gezielt eine Entzündung ausgelöst wurde. Die Daten bestätigten, dass die beteiligten Immunzellen auch im Körper die entsprechende molekulare Ausstattung nutzen. Damit gewinnt der im Labor beobachtete Mechanismus zusätzliche Aussagekraft für reale physiologische Bedingungen.
Für die Medizin ist der Befund von Interesse, weil Katecholamine wie Adrenalin und Noradrenalin in der Intensiv- und Notfallmedizin routinemäßig verabreicht werden. Wenn Immunzellen selbst auf diese Substanzen reagieren und sie sogar aktiv freisetzen, könnten solche Medikamente das Abwehrgeschehen stärker beeinflussen als bisher angenommen. Auch für das Verständnis von Entzündungskrankheiten, Thrombosen und der Wechselwirkung zwischen Stress und Immunsystem eröffnet die Entdeckung neue Ansatzpunkte. Wie eng Abwehr und Nervensystem im Gehirn verzahnt sind, zeigen bereits Untersuchungen dazu, wie Immunzellen mit feinen Tunneln geschädigte Nervenzellen schützen können. Offen bleibt, wie universell der nun beschriebene Mechanismus ist und ob auch andere Immunzelltypen Neurotransmitter auf diese Weise nutzen. Die verwendeten Nanosensoren dürften dabei helfen, weitere Zellen und Botenstoffe künftig ähnlich direkt zu vermessen.
Advanced Science, Multimodal Imaging Reveals Rapid Catecholamine Uptake and Release by Neutrophils; doi:10.1002/advs.202524193