Demenz ist ein weit gefasster Begriff, der den Verlust kognitiver Funktionen wie Gedächtnis, Sprache, logisches Denken und anderer Denkfähigkeiten beschreibt. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) werden im Jahr 2050 weltweit 139 Millionen Menschen an Demenz erkrankt sein. Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Ursache für Demenz: 60–70 % aller Demenzfälle lassen sich auf diese Krankheit zurückführen.
Die Alzheimer-Krankheit ist eine fortschreitende Erkrankung, d. h. die Demenzsymptome entwickeln sich allmählich über viele Jahre hinweg und werden schließlich immer schwerer. Die Ursache der Alzheimer-Krankheit ist unbekannt, ihre Pathogenese ist unklar, und es gibt keine wirksame Behandlung.
Um die Alzheimer-Krankheit besser zu verstehen, wird die Schutzschicht im Gehirn, das sogenannte Myelin, untersucht. Diese Schutzschicht isoliert die Nervenfasern (Axone) und beschleunigt die Leitung von Nervenimpulsen. Neuere Studien (Steadman et al., 2020; Pan et al., 2020; Wang et al., 2020) zeigen, dass die Myelinbildung bei adulten Mäusen eng mit dem räumlichen Gedächtnis zusammenhängt und dass eine verminderte Myelinbildung eine der Ursachen für die altersbedingte Abnahme der Gedächtnisfunktion ist.
In einer kürzlich durchgeführten Studie stellte das Team von Professor Feng Mei von der School of Basic Medical Sciences der Army Medical University (Third Military Medical University) die dynamischen Veränderungen von Myelin bei der Alzheimer-Krankheit mithilfe hochauflösender Bildgebung von Hirnschnitten dar (Chen et al., 2021).
In diesem Interview sprechen Kai Jin von der Marketing and Sales Division von Evident China und Hongxia Zheng von Chengdu Zhixin Technology Co. Ltd. mit Professor Feng Mei und Dr. Jingfei Chen über ihre Forschung und ihre Erfahrungen mit der Bildgebung von Hirnschnitten.
F: Welche Veränderungen und Funktionen weist das Myelin in einem Alzheimer-Gehirn auf?
A: Mithilfe von transgenen Mäusen und zellspezifischen Fluoreszenzreportern haben wir die Myelinbildung beobachtet und eine einzigartige Myelin-Dynamik im Gehirn von APP/PS1-Mäusen (einem Mausmodell für die Alzheimer-Krankheit) festgestellt. Konditionale Knockout-Mäuse, Verhaltensstudien und elektrophysiologische Experimente zeigen, dass ein beschleunigter Myelinumsatz den Gedächtnisverlust und die physiologische Dysfunktion des Hippocampus bei Mäusen mit Alzheimer reduzieren kann.
Das wichtigste Ergebnis der Studie ist, dass die Myelinregeneration im Gehirn von Alzheimer-Mäusen selbst nach ausgedehnter Demyelinisierung verbessert werden konnte, was wiederum zu einer Verbesserung der kognitiven Funktion führte. Die Förderung der Myelinbildung durch genetische Veränderungen oder pharmakologische Eingriffe könnte daher die durch die Alzheimer-Krankheit verursachten Phänomene wirksam verbessern und einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz zur Besserung von Alzheimer-Symptomen darstellen.
F: Auf welche technischen Schwierigkeiten sind Sie bei der Bildgebung der Hirnschnitte gestoßen?
A: Unsere Gruppe musste Bilder von mehreren Hirnregionen, z. B. dem Kortex, dem Hippocampus und dem Corpus callosum, aufnehmen. Dies erfordert eine schnelle mehrdimensionale und mehrkanalige Bildgebung von Hirnschnitten. Eine zusätzliche Herausforderung lag darin, dass das Signal in transgenen Hirnschnitten mit zellspezifischen Fluoreszenzreportern aufgrund von Photobleaching schnell verblassen kann.
Daher benötigten wir Bildgebungsgeräte, die folgende Anforderungen erfüllen:
- Das Signal des zellspezifischen Fluoreszenzreportergens ist schwach und verblasst leicht, so dass eine hochempfindliche und schnelle Bildgebung erforderlich war.
- Da verschiedene Hirnregionen betroffen waren, mussten wir Veränderungen der Myelinscheide an mehreren Stellen beobachten. Außerdem benötigten wir ein zusammengesetztes Bild der gesamten Hirnschicht, um eine subjektive Auswahl des Sichtfelds zu vermeiden.
- Myelin und Mikroglia haben dreidimensionale Strukturen, daher mussten wir dreidimensionale Bilder mit hoher Auflösung in der Z-Achse aufnehmen.
In der Anfangsphase des Projekts wurden die Experimente mit herkömmlichen konfokalen Einpunkt-Laser-Scanning-Mikroskopen durchgeführt. Einpunkt-Scanning-Mikroskope können qualitativ hochwertige Bilder in einem einzigen Sichtfeld erzeugen. Es müssen aber viele Bilder zu einem einzigen zusammengefügt werden, um ein Bild eines großen Bereichs zu erhalten, was sehr zeitaufwändig ist. Außerdem verblassen die Fluoreszenzmarker durch die Lichteinstrahlung auf die Probe.
Wir haben schließlich festgestellt, dass das IXplore Spin System, ein konfokales Spinning-Disk-Mikroskop mit Hochgeschwindigkeitsabtastung, geringer Phototoxizität und automatisierten Funktionen wie Image Stitching und Multi-Point-Imaging, sehr viel Zeit während des Experiments spart.
F: Wie wirkte sich das IXplore Spin System auf die Versuchsergebnisse aus?
A: Das IXplore Spin System nahm Bilder mehr als 30-mal schneller auf als unser herkömmliches konfokales Einpunkt-Laser-Scanning-Mikroskop. Angenommen, ein herkömmliches konfokales Einpunkt-Laser-Scanning-Mikroskop benötigt 3 bis 4 Stunden für ein Bild, dann braucht das IXplore Spin System nur etwa 10 Minuten.
Für die Studie mussten ganze Hirnschnitte von etwa 60 Mäusen aufgenommen werden. Durch den Einsatz des IXplore Spin Systems konnte der Zeitaufwand für die Bilderfassung erheblich reduziert werden, so dass wir das Projekt schnell durchführen konnten. Gleichzeitig ermöglicht das konfokale IXplore Spinning-Disk-Mikroskop eine wiederholbare Bildgebung mit hoher Empfindlichkeit, geringer Phototoxizität und minimaler Beschädigung der fluoreszierenden Proben.
Weitere Informationen über das IXplore Spin Mikroskopsystem
Die IXplore Mikroskopserie umfasst inverse Mikroskope speziell für verschiedene Anwendungen in der biowissenschaftlichen Forschung. Das IXplore Spin Mikroskopsystem arbeitet mit einer modernen Spinning Disk, um schnell 3D-Konfokalbilder in einem großen Sichtfeld aufzunehmen und in Zeitrafferexperimenten eine längere Zellviabilität zu gewährleisten.
Vorteile:
- Verbesserte Z-Auflösung
- Automatisierte Stitching-Funktion
- Präzise 3D-Bildgebung in tief liegenden Schichten dicker Proben
- Weniger Phototoxizität und Photobleaching
- Kann zum SpinSR Super-Resolution-Modul aufgerüstet werden
Die Interviewpartner: Professor Feng Mei und Dr. Jingfei Chen
Professor Feng Mei | Feng Mei promovierte an der University of California, San Francisco, und ist derzeit Associate Professor an der Army Medical University (Third Military Medical University) in Chongqing, China. Seine Gruppe untersucht seit langem die Rolle der dynamischen Veränderungen des Myelins bei der Entwicklung des Gehirns und bei Krankheiten und veröffentlichte in der Online-Ausgabe von Neuron vom 8. Juni 2021 einen Artikel mit dem Titel „Enhancing myelin renewal reverses cognitive dysfunction in a murine model of Alzheimer's disease“. |
Dr. Jingfei Chen forscht in der Abteilung für Histologie und Embryologie am Chongqing Key Laboratory of Neurobiology, Brain and Intelligence Research Key Laboratory der Chongqing Education Commission, Army Medical University (Third Military Medical University) in Chongqing, China.
