Ice Bucket Challenge und ALS
Erinnert ihr euch noch an die Ice Bucket Challenge? 2014 haben sich weltweit Menschen Eimer mit Eiswasser über dem Kopf ausgekippt. Diese Challenge sollte auf ALS aufmerksam machen. ALS, oder auch amyotrophe Lateralsklerose, ist eine neurodegenerative Erkrankung, bei der Muskeln nicht mehr richtig arbeiten, was zu Muskelschwäche und letztlich zum Verlust der Bewegungsfähigkeit führt. Der wohl bekannteste ALS-Erkrankte war der britische Physiker Stephen Hawking.
Forschung zu Motoneuronen
Dr. Thomas Hermannsdörfer ist Physiker und er verfolgt am Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf einen neuen Therapieansatz. Er forscht an der Regeneration von Motoneuronen durch gepulste Magnetfelder. Was das genau bedeutet, wie weit die Forschung ist und welche Hürden noch genommen werden müssen, darum geht es in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört! Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf.
Die Nutzung von Magnetfeldern in der Medizin kennt der eine oder andere vielleicht aus der MRT, der Magnetresonanz-Tomografie. Dabei werden hochauflösende Schnittbilder des Körperinneren erzeugt. Dr. Thomas Hermannsdörfer ist Teil eines interdisziplinären Teams am Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf, das magnetfeldgestützte Therapieverfahren zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie ALS erforscht. Bislang ist diese Erkrankung nicht heilbar. Das soll sich jetzt ändern.
Einführung von Dr. Hermannsdörfer
Herr Dr. Hermannsdörfer, herzlich willkommen im Forschungsquartett! Hallo, ja, sehr schön, hier sein zu dürfen. Herr Dr. Hermannsdörfer, Sie untersuchen eine Methode, bei der mit gepulsten Magnetfeldern Motoneuronen regeneriert werden sollen. Als ich diesen Satz zum ersten Mal gelesen habe, habe ich nicht viel verstanden. Dröseln wir das mal auseinander. Was sind erst mal Motoneuronen?
Ja, die Motoneuronen, das sind Nervenzellen, die direkt vom Gehirn starten, über die Wirbelsäule bis hin zu den Muskeln, sozusagen für sämtliche Bewegungen des Körpers verantwortlich sind oder diese Bewegungen erst ermöglichen. Man unterscheidet da die ersten Motoneuronen, die im Schädelbereich sitzen, dann die zweiten Motoneuronen, die in der Wirbelsäule sozusagen lokalisiert sind. Und diese Nervenzellen in der Wirbelsäule, das sind genau genommen nur die Zellkerne in der Wirbelsäule. Und diese Nervenzellen haben axonale Verlängerungen, die von der Wirbelsäule über diese lange Axonenbahn bis hin zum Muskel, das kann zum Beispiel ein Muskel im Finger, das kann ein Muskel im Fuß sein, verbunden sind. Das ist immer noch eine sehr lange Nervenzelle, die dann sozusagen vom Gehirn startend bis zum jeweiligen Muskel die Verbindung schafft.
Auswirkungen von ALS
Sie forschen ja zu ALS. Was passiert bei dieser Krankheit? Ja, die amyotrophe Lateralsklerose, das ist eine sehr schwerwiegende neuronale Erkrankung. Und zwar werden genau selektiv diese sogenannten Motoneuronen geschwächt. Da muss man sich, um das genauer zu sehen, sogenannte intrazelluläre Vorgänge anschauen. Und so ein intrazellulärer Vorgang, also das, was in der Zelle selbst passiert, ist beispielsweise, wie Zellbestandteile, sogenannte Organellen, transportiert werden. Beispielsweise vom Zellkern über diese bis zu ein Meter langen Axonen bis hin zur sogenannten neuronalen Endplatte. Sagen wir mal, das ist das Interface von dieser Axonenbahn zum Muskel. Da müssen bestimmte Organellen transportiert werden. Und diese Organellen können zum Beispiel kleine Zellkraftwerke, sogenannte Mitochondrien, sein.
Und eine dieser Schwächungen der Nervenzellen im Falle dieser Krankheit ist eben, dass dieser Mitochondrientransport nicht mehr stattfindet. Es finden auch andere Vorgänge in der Zelle nicht mehr statt. Das ist zum Beispiel im Falle einer Verletzung. Also wenn so ein Axon beschädigt ist, dann gibt es tatsächlich Reparaturvorgänge. Beispielsweise, wenn man mal einen Schnitt irgendwo oberflächlich hat, dann ist es nicht so, dass alles verloren ist, sondern es dauert zwar eine gewisse Zeit, aber es finden Reparaturmechanismen statt. Ein anderer Punkt ist auch, dass zum Beispiel durch chemische Einflüsse oder durch Strahlungseinflüsse das ganze Chromosomenpaket im Zellkern, also alle genetischen Erbinformationen, die können Schäden erfahren. Glücklicherweise gibt es da aber Reparaturmechanismen, die sogar sehr schnell vonstatten gehen. Und auch diese Reparatur ist sehr geschwächt oder findet gar nicht mehr statt.
Ursachen und sporadische Erkrankung
Jetzt ist das, was ich gesagt habe, mehr so phänomenologisch. Also die Frage wäre, was löst denn diese schwerwiegende Krankheit aus? Und da muss man zum weiten Grad sagen, das würde uns weiterhelfen, sozusagen Behandlungsmethoden zu entwickeln. Man weiß das nicht. Man nennt es nach wie vor eine hauptsächlich sporadische Erkrankung. Das heißt, die meisten Fälle dieser amyotrophen Lateralsklerose treten spontan auf. Das heißt, die können im Wesentlichen jeden treffen. Das Gute bei dieser Erkrankung ist, sie ist relativ selten, glücklicherweise sehr selten. Der wir uns gern widmen, sodass wir diese Situation der Patienten eben möglichst verbessern können.
Gepulste Magnetfelder
Sie haben jetzt ALS erklärt und die Motoneuronen. Was sind jetzt gepulste Magnetfelder? Also das ist vergleichsweise einfach. Gepulste Magnetfelder, das sind kurze Stromstöße, die man durch Spulen fließen lässt und die dann, ich sage mal, so etwas Ähnliches wie eine halbe Sinuswelle auslösen. Das nennt man einen Magnetpuls, also ein kurzzeitiges Ansteigen des Magnetfeldes und Abfallen. Und das ist so eine Art gedämpfte Schwingung.
Und wie helfen diese gepulsten Magnetfelder jetzt, die Motoneuronen zu regenerieren? Was passiert da? Das ist das, was eigentlich erstmal völlig unwahrscheinlich klingt. Und zwar, unser Körper, wir bestehen im Prinzip, verallgemeinert, ist es ein bisschen und zwar aus Kohlenwasserstoffen. Also Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, ein paar zusätzliche Atome hier und da. Wir bestehen also aus komplexen Proteinstrukturen, die aber weitgehend vom magnetischen Aspekt her fast langweilig oder nahezu unmagnetisch sind. Ein bisschen Feldverdrängung passiert, also ein bisschen diamagnetisch sind wir. Aber das ist so ein schwacher Effekt, dass der energetisch kaum relevant ist.
Das heißt, eigentlich die Chance, dass man mit Magnetfeld irgendwas am Körper beeinflussen kann, die ist quasi nicht gegeben. Das heißt, wenn man sich in so ein starkes Magnetfeld von so einem MRT-Gerät legt, dann ist es sehr viel stärker als die Magnetfeldstärke des Erdmagnetfeldes. Aber offensichtlich macht uns das überhaupt nichts aus. Das heißt, die Wechselwirkung von so einem statischen Magnetfeld mit uns ist äußerst gering. Ein Vorteil ist dabei allerdings, dass das Magnetfeld uns, weil wir so gut wie unmagnetisch sind, völlig durchdringt. Also das Magnetfeld kommt überall an, jeden Ort unseres Körpers, ohne Problem.
Magnetfelder und Zellfunktionen
Und jetzt könnte ich eigentlich aufhören zu reden. Das klingt so chancenlos. Aber unser eigentlich unmagnetischer Organismus bietet interessanterweise genau an den funktional bedeutsamen Stellen, ich sage jetzt mal wie zum Beispiel Rezeptoren, wie Zellschleusen, Kanalproteine, aber auch letztlich diesen Mitochondrien doch vereinzelt magnetische Eigenschaften, quasi die physikalischen Schalthebel oder Voraussetzungen, um etwas bewirken zu können.
Und zwar, der Punkt ist, der an sich sind wir schon so etwas wie elektrische Maschinen. Also zum Beispiel Leben und Tod von der Zelle unterscheidet sich, ob zum Beispiel sich eine elektrische Spannung relativ gemessen von der Oberfläche der Zelle hin zum Zellkern aufbaut. Also elektrisch sind wir ohne Frage. Aber sobald wir sozusagen Magnetfelder anlegen und dadurch Ionenströme etwas modifizieren können, dann haben wir schon eine gewisse Beeinflussbarkeit des Körpers. Dann gibt es auch im Prinzip die Möglichkeit. Die Frage ist, legen wir ein statisches Magnetfeld an, wie Sie sagen, ein gepulstes, oder wir können auch ein sinusförmiges Wechselfeld anlegen.
Und dann kann man schon so ein bisschen sehen, was denn den Effekt ausmacht. Und in unserem Fall, ich kürze ein bisschen ab, sind es tatsächlich Wechselmagnetfelder oder magnetische Einzelpulse oder so Pulsequenzen, die einen Effekt haben. Würden wir das Gleiche mit statischen Magnetfeldern, also so wie so ein MRT-Gerät, unsere Experimente durchführen, so würde man keinerlei Effekte erzielen. Was wir dann aber getan haben, ist sozusagen diese Pulsfelder probiert und haben dann festgestellt, ja, da gibt es sehr wohl einen Einfluss und es gibt sogar eine Art Frequenzmaximum.
Therapiesitzungen und Ergebnisse
Also wir haben insbesondere im Niederfrequenzbereich gesucht, zwischen 0 und 100 Hertz. Da finden ohnehin sehr viele Prozesse im Körper statt und haben da gezielt gesucht und tatsächlich in dem Frequenzbereich auch ein Maximum, ein Effizienzmaximum der Frequenz gefunden. Wie muss ich mir denn diese Therapiesitzung vorstellen? Wie läuft die ab? Muss ich mich da auch wie beim MRT dann in so eine Röhre legen?
Genau, also im Prinzip, man könnte sich grundsätzlich in ein MRT-Gerät legen. Könnte dabei, statt dass man eine Dauerstromversorgung an den Magneten anlegt, eine Wechselstromversorgung anlegen und es wäre gegeben. Man könnte das im Prinzip so machen. Aber jetzt gibt es eine technische Einschränkung, und zwar ist es gar nicht so einfach, technisch gesehen, so hohe Magnetfelder wie das zum Beispiel ein MRT-Gerät macht, also beispielsweise ein Tesla in dieser Einheit des Magnetfeldes und dann auch gleichzeitig in der hohen Frequenz. Das ist fast unmöglich, also käme man in Größenordnungen, die äußerst unpraktisch, also extreme Hochspannung wären.
Das heißt, idealerweise nimmt man etwas kleinere Spulen, die segmentiert nach Körperteilen angeordnet sind, und nimmt auch eine moderate Wicklungsanzahl, sodass es etwas technologisch einfacher wird, so ein Wechselmagnetfeld oder so ein gepulstes Magnetfeld damit zu erzeugen. Wenn ich mir vorstelle, ich habe ALS und würde mich so einer Behandlung unterziehen, würde ich danach sofort eine Veränderung spüren oder braucht das ein bisschen und hält das immer an oder muss ich mehrfach das machen?
Nachhaltigkeit der Behandlung
Das sind die Masterfragen, und ich bin froh, dass wir das Interview jetzt führen. Das hätten wir vor zwei, drei Jahren noch gar nicht so genau beantworten können, aber jetzt wissen wir das ganz genau. Der Punkt ist der, dass all diese Phänomene, die ich nannte, bei ALS, also Mitochondrien-Transport oder axonales Wachstum oder DNA-Reparatur, wir beobachten tatsächlich im Experiment in bestimmten zellbiologischen Experimenten. Das heißt, man hat humane Motorneuronen, die man sich durch modernste Verfahren erzeugt, die man dann wiederum in Petrischalen züchtet und dann im Einzelnen anschaut.
Aber wir können das tatsächlich sehen an humanen Motorneuronen, dass diese Effekte sozusagen von einem kranken Zustand zurück in einen praktisch gesunden Zustand zurückversetzt werden können. Und zwar, wenn wir so ein Magnetfeldprotokoll, nennen wir das mal, ein paar Stunden Magnetfeld anlegen, zum Beispiel kontinuierlich in einem Wechselmagnetfeld, nennen wir es beispielsweise zwei Stunden anlegen und dann in den Folgetagen sozusagen all diese, zum Beispiel Mitochondrien, Geschwindigkeit messen, dann werden wir feststellen, es tritt, wie Sie sagen, kein Sofateffekt auf. Es dauert vielmehr so ein, zwei Tage, bis diese Bewegung dieser Transport der Mitochondrien wieder stattfindet, bis alle zellulären oder motorzellulären Prozesse wieder auf gutem Niveau sind.
Es dauert tatsächlich, also das ist ein Effekt. Das Gute an der ganzen Sache ist, dass es eine gewisse Nachhaltigkeit hat. Wir sehen in verschiedensten Messungen, dass diese Nachhaltigkeit etwa acht Tage ist. Das heißt, einmal pro Woche, wir nennen das Befelderung, tatsächlich einmal in der Woche Magnetbefelderung, heißt, man hat so eine nachhaltige Wirkung von etwa einer Woche. Und das Gute ist, man kann das wiederholen und immer wieder wiederholen, sodass dieser Effekt immer wieder gegeben ist. Also wir frischen sozusagen die Aktivität der Motorneuronen wieder auf.
Übertragbarkeit der Ergebnisse
ALS ist nun nicht die einzige neurodegenerative Krankheit. Es gibt zum Beispiel auch noch Parkinson und Alzheimer. Sind die Ergebnisse, die Sie da jetzt in Ihrer Forschung gefunden haben, auch auf andere neurodegenerative Erkrankungen übertragbar? Also wir sind der Meinung, dass das übertragbar ist. Eine erste Humanprobandenstudie, die wir jetzt gerade mit Edic-Antrag und so weiter vorbereiten, die führen wir nicht an der sehr komplexen ALS-Erkrankung, sondern an der sehr, sehr weit verbreiteten Polyneuropathie-Erkrankung.
Durch Polyneuropathie ist ein bisschen was anderes. Da werden nicht die Motorneuronen, sondern die sensorischen Nerven, die parallel laufen zu den Motorneuronen, beeinträchtigt. Wenn denn der Edic-Antrag genehmigt wird und wenn viele andere Dinge noch positiv laufen, dann wollen wir das an der chemotherapieinduzierten Neuropathie gruppieren. Und wir sind der Meinung, dass auch bei ganz anderen Erkrankungen auftritt. Und zwar, wir machen nichts krankheitsspezifisches, sondern diese Unterstützung der Zellen in ihrer normalen Funktionalität ist universell.
Zelluntersuchungen und Leistungsfähigkeit
Warum wir der Meinung sind, es kommt daher, wenn wir solche Zelluntersuchungen durchführen, dann führen wir immer auch Vergleichsexperimente an gesunden Zellen durch und stellen fest, die Leistungsfähigkeit zum Beispiel des Mitochondrien-Transports und so weiter, die ist aber auch bei gesunden Personen so etwa 20 Prozent noch verbessert sogar. Man kommt in so einen hyperaktiven Zustand, dadurch, dass man vielleicht auch für ganz andere Dinge, vielleicht mal für die Altersmedizin, sicherlich auch für die Sportmedizin, relativ interessant, dass man da eine Leistungsfähigkeit durch so ein einfaches Mittel auch noch steigern kann.
Magnetische Verfahren in der Medizin
Das klingt nach Doping bei der Tour de France. Das klingt so ein bisschen. Es wird in manchen Wissenschaftsbereichen oder Medizinbereichen tatsächlich angewandt. Es gibt so magnetische Unterstützungsverfahren, beispielsweise bei der Knochenheilung. Ich war mal mitwirkend in einem Thema, da ging es im Prinzip um Knochenheilung, um eine Verbesserung und Möglichkeiten, wie man den magnetisch begleiteten Knochenheilung stattfinden lassen könnte. Das waren komplexe Vorgänge. Ein Ergebnis dieser vor etwa 20 Jahren durchgeführten Studien war, dass allein das Anlegen des Magnetfeldes sozusagen eine gewisse Verbesserung bei der Knochenheilung bewirken konnte.
Das konnten wir uns damals überhaupt nicht erklären. Was mich im späteren Verlauf motiviert hat, in dieses Motorneuronen-Thema mit einzusteigen. Dazu haben mich ein Befreund der Medizin, Prof. Richard Funk hier in Dresden, überredet, überhaupt da mal mitzumachen. Ich glaube, hätte ich dieses erste Ergebnis aus dieser Knochenheilungsstudie nicht gehabt, ich weiß nicht, ob ich dann mitgemacht hätte. Ich war anfangs Physiker, sind immer gerne skeptisch, und ich war relativ skeptisch am Anfang, ob wir da überhaupt eine Chance haben. Mittlerweile, das wissen alle meine Kollegen, ist das mein Hauptthema, an dem ich arbeite.
Hürden für Humanprobandenstudien
Herr Dr. Hermannsdörfer, bisher nutzen Sie eher Zellen in der Petrischale, um Ihre Forschung zu machen. Welche Hürden gibt es denn jetzt, um eine Therapie an Patientinnen und Patienten auszuprobieren? Das Verfahren muss natürlich nachgewiesen sicher sein, mit möglichst wenigen oder idealerweise keinen Nebenwirkungen einhergehen, natürlich keinen Schmerzen. Ich glaube, das kann man bei diesem magnetischen Verfahren sehr gut einschätzen, dass da keinerlei Risiken bestehen.
Wenn man aber weiter ins Detail schaut, auch wir überlegen, hat es eventuelle Wechselwirkungen mit Tumorerkrankungen und so weiter. Aber der Gesetzgeber schreibt da schon vor, dass hohe Anforderungen gegeben sein müssen, um überhaupt an eine Humanprobandenstudie, wir reden da noch gar nicht mal an einem eingetragenen medizinischen Verfahren, aber dass man überhaupt erst mal mit dem Patienten arbeiten darf. Das sind enorme Hürden, die da genommen werden müssen.
Andererseits ist es so, es gibt momentan praktisch kein wirksames oder langzeitwirksames Medikament, was den Krankheitsverlauf wesentlich verbessern könnte. Viele Patienten leiden sehr schnell daran, dass sie nicht nur ihre Hände, nicht mehr nur ihre Füße, Beine, was auch immer, bewegen können, sondern zum Beispiel auch die Gesichtsmuskulatur, also die Mimik friert ein. Und ganz tragisch, die Atmungsmuskulatur kann versagen. Und das ist natürlich sehr gefährlich und für die Patienten weitgehend natürlich unzumutbar, sodass hier etwas schnellere Zulassungsverfahren oder auch, wenn es nicht um kommerzielle Aspekte geht, wenn es um reine Forschungsaspekte geht, dann würde man sich natürlich wünschen oder viele Patienten wünschen sich einfach ein viel schnelleres Vorgehen.
Es ist schon ein berechtigter, aber auch ein sehr großer Aufwand, sich mit all dieser Regulatorik zu befassen.
Abschluss und Dank
Das sagt Dr. Thomas Hermannsdörfer, Physiker am Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Vielen Dank für Ihre Zeit und das spannende Gespräch. Ja, vielen Dank! Ja, schade, dass es schon vorbei ist. Das hat mir auch wirklich sehr, sehr viel Spaß gemacht. Außerdem an dieser Stelle vielen Dank für die Produktion dieser Folge. Die kam diese Woche von Benjamin Serdani.
Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Immer donnerstags erscheint eine neue Episode. Wir freuen uns, wenn ihr wieder reinhört und wenn ihr einem wissenschaftsbegeisterten Menschen vom Podcast erzählt. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank fürs Zuhören. Bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal! Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf.
Foto: HZDR