Schlagwort-Archive: Medikamente

Gehirnstimulation: Tablette für doppelten Lernerfolg

Aktives Training: Die Empfindlichkeit der Fingerspitzen wird mit Drahtstiften getestet, danach werden die Hirnströme registriert.

Bei passivem Training und Gabe von Amphetamin (oben,Mitte) ergibt die Hirnstrommessung eine zunehmende Repräsentation des Zeigefingers auf der Hirnoberfläche.

Übung macht den Meister – das gilt auch für Wahrnehmungsleistungen, die sich durch Lernaufgaben kontinuierlich verbessern lassen (perzeptuelles Lernen). Nehmen Testpersonen dazu noch spezielle Medikamente ein, dann verdoppelt sich der Lernerfolg – das zeigen jetzt die beiden Bochumer Forschergruppen von PD Dr. Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik) und Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Universitätsklinik Bergmannsheil): Die Neurowissenschaftler manipulieren pharmakologisch das perzeptuelle Lernen und zugleich damit verbundene Gehirnveränderungen, die sie durch Hirnstrommessungen erfassen.

Aktives Training: Zwei Drahtstifte – zwei Reize

Perzeptuelles Lernen erfolgt durch stete Wiederholung. So lassen sich Objekte, die in ihrer Oberflächenbeschaffenheit sehr ähnlich sind, mit einiger Übung allein durch Anfassen
voneinander unterscheiden. Diese Fähigkeit zur “taktilen Auflösung” messen die Forscher psychophysisch bei Versuchspersonen, indem diese zwei dünne Drahtstifte tasten müssen, deren Abstand voneinander immer geringer wird. Der kleinste Abstand, bei dem die Versuchsperson noch zwei Drahtstifte wahrnimmt, ist die Zweipunktdiskriminationsfähigkeit. Jeder Mensch hat eine individuelle Zweipunktdiskriminationsschwelle, die sich durch langandauerndes Training herabsetzen lässt.

Lernen durch passives Training

Bereits vor etwa fünfzig Jahren postulierte der kanadische Psychologe Hebb, dass “Gleichzeitigkeit” bzw. “Simultanität” von Ereignissen synaptische Übertragung und damit Lernprozesse verbessert. Diese Erkenntnis setzen die Forscher in ein Stimulationsprotokoll um, dass die natürliche Tastwahrnehmung nachvollzieht: Mit schwachen elektrischen Impulsen reizen sie gleichzeitig und mit einer niedrigen Rate (ein Reiz je Sekunde) kleine Bereiche der Zeigefingerspitzen von Versuchspersonen. Die Reize überträgt eine bewegliche Membran auf dem Zeigefinger der Versuchsperson. Da diese “Coaktivierung” mobil über ein kleines tragbares Kästchen erfolgt, können die Testpersonen dabei “normalen” Tätigkeiten nachgehen. Das Ergebnis: Nach drei Stunden hatte sich die taktile Diskriminationsfähigkeit vorübergehend für einen Zeitraum von 24 Stunden verbessert.

Was beim Lernen im Gehirn passiert

Gleichzeitig erfassen die Forscher mit 32 Elektroden über der gesamten Hirnrinde die beim perzeptuellen Lernen ablaufenden Vorgänge im Gehirn (somatosensorisch evozierte Potenziale). Sie konnten mit der nicht-invasiven Untersuchungstechnik (“neurophysiologisches Mapping”) Lage und Ausdehnung des sensiblen Repräsentationsgebietes der Fingerspitze auf der Hirnoberfläche genau bestimmen: Die Hirnstrommessungen zeigten eine Verschiebung und Vergrößerung der Repräsentation des Zeigefingers auf der Hirnoberfläche, wenn sich die Diskriminationsfähigkeit verbesserte. Das Ausmaß des Lernerfolgs war von Person zu Person unterschiedlich.

Chemie des Lernens

Nur wenige grundlegende chemische Mechanismen kontrollieren die Effizienz von Synapsen, dazu gehört die Gruppe der sog. NMDA-Rezeptoren (N-Methyl-D-Aspartat). Ihre Aktivierung führt über eine Kette komplexer molekularer Vorgänge zu langanhaltenden Veränderungen der Synapseneffizienz, was u. a. als Langzeitpotenzierung (long-term-potentiation LTP) bezeichnet wird. In diesen Vorgängen sehen die Forscher heute die Basis synaptischer Plastizität. Die LTP ist aber auch durch andere Substanzen modulierbar und lässt sich z. B. durch die Neurotransmitter Serotonin und Noradrenalin steigern. Amphetamine, die im Gehirn Substanzen wie Dopamin, Serotonin und Noradrenalin freisetzten, verstärken somit auch die synaptische Plastizität.

Die Tablette für den Lernerfolg

Nun stellte sich die Frage, ob Substanzen, die auf der Ebene der Synapsen das Lernen ermöglichen und verbessern, auch bei Einnahme durch die Versuchspersonen einen solchen positiven Effekt auf das perzeptuelle Lernen haben würden: Mithilfe einer einmaligen Applikation der Substanz Memantine, die den NMDA-Kanal blockiert, eliminierten die Forscher den Lernerfolg zunächst vollständig. Durch Messung der Tastschwellen des linken, nicht-coaktivierten Zeigefingers konnten sie unspezifische Nebenwirkungen des Medikaments ausschließen. Dann erhielten die Testpersonen eine einmalige Gabe Amphetamin (Psychopharmaka), was tatsächlich zu einer Verdoppelung des Lernerfolges führte, ohne Nebenwirkungen auf die Empfindung des nicht-coaktiverten linken Fingers zu verursachen. Die Hirnstrommessungen zeigten entsprechende Veränderungen: Die Blockade des Lernens unter Memantine schränkte die Hirnveränderungen ein, während der doppelte Lernerfolg durch Amphetamin zu einer Ausdehnung der Hirnrepräsentation führte.

Therapieausblick: “Brain-Training”

Die Ergebnisse stehen möglicherweise am Anfang einer neuen Ära, in der sich Gehirnfunktionen und damit das Verhalten durch eine Kombination von Training, Stimulation und medikamentöser Therapie aktiv und gezielt verändern lassen. Das entwickelte Coaktivierungsprotokoll beruht auf einer passiven Stimulation über mehrere Stunden, die zu massiven Änderungen von Gehirnorganisation und Verhalten führte. Dieses passive Training verspricht neue Therapieansätze: Gerade für ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Störungen, z. B. nach einem Schlaganfall oder einer Hirnverletzung. Sie können sich oft nicht ausreichend lange auf die erforderlichen Therapien konzentrieren oder selbst aktiv mitmachen. Der passiv orientierte Therapieansatz spart zudem Kosten – aufgrund seiner geringeren Personalintensität. (Quelle: idw)

Künstliche Lebewesen aus der Retorte

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.

Durchbruch: Interferon hilft bei der Eliminierung von Krebsstammzellen

Wie entsteht Krebs?

Der Immunbotenstoff Interferon alpha erweckt schlafende Blutstammzellen im Knochenmark zur Aktivität und macht sie dadurch für die Wirkung vieler Medikamente angreifbar. Dies veröffentlichten Wissenschaftler aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum gemeinsam mit Kollegen aus Lausanne in der Zeitschrift Nature. Auch Tumorstammzellen, so vermuten die Forscher, lassen sich so zur Teilung anregen und damit für die Behandlung mit Krebsmedikamenten sensibilisieren.

Nach Verletzungen mit Blutverlust muss der Körper das lebensnotwendige Blutvolumen schnell wiederherstellen. Dafür sorgt eine bestimmte Gruppe von Stammzellen im Knochenmark. Diese Blutstammzellen verbringen ihr gesamtes Leben in einer Art Schlafzustand, aus dem sie erst durch Verletzung und Blutverlust zur Aktivität geweckt werden. Unverzüglich beginnen sie, sich zu teilen, bis der Verlust an Blutzellen wieder ausgeglichen ist. Dies zeigten kürzlich Wissenschaftler um Professor Andreas Trumpp aus dem Deutschen Krebsforschungszentrum.

Der Dauerschlaf ist ein wichtiger Schutzmechanismus der Stammzellen: Erstens bewahren sie so ihr Erbgut vor Genveränderungen, die sich vor allem während einer Zellteilung ereignen. Darüber hinaus entgehen sie im Schlaf auch der Attacke vieler Zellgifte, die nur auf sich teilende Zellen wirken.

Bislang war unbekannt, welche Signalmoleküle die Stammzellen tatsächlich aus ihrem Schlummer wecken. Andreas Trumpp und Marieke Essers aus seinem Team veröffentlichten nun in der Zeitschrift Nature, dass Interferon alpha, ein Botenstoff des Immunsystems, wie ein Wecker auf Blutstammzellen wirkt. Die Wissenschaftler zeigten damit zum ersten Mal, dass Interferon alpha die Funktion von Stammzellen direkt beeinflussen kann.

Interferon alpha wird von Immunzellen ausgeschüttet, wenn der Organismus von Bakterien oder Viren bedroht wird. Die Wissenschaftler lösten die Interferonproduktion in Mäusen aus, indem sie ihnen eine Substanz verabreichten, die den Tieren eine Virusinfektion vorgaukelt. Daraufhin kam es zu einem starken Anstieg der Teilungsrate der Blutstammzellen. In Kontrolltieren dagegen, die das Interferonsignal nicht verarbeiten können, führte die Substanz nicht zum Aufwachen der Stammzellen.

Einen weiteren Beweis für die Wirkung des Interfon alpha erzielten die Forscher mit dem Medikament 5-Fluorouracil, einem Zellgift, das häufig bei Brust- und Darmkrebs eingesetzt wird: Schlafende Stammzellen sind resistent gegen das Medikament, das seine Wirkung nur während der Teilung entfaltet. Erhalten die Tiere jedoch vor der 5-Fluorouracil-Behandlung Interferon alpha, so versterben sie nach kurzer Zeit an Blutarmut. Der Grund dafür: Durch die Interferon-Vorbehandlung wurden die ruhenden Stammzellen in die Zellteilung gezwungen und damit für die 5-FU-Wirkung sensibilisiert und abgetötet. Daher stehen nach kurzer Zeit keine Stammzellen mehr zur Verfügung, die Nachschub an kurzlebigen reifen Blutzellen wie Erythrozyten und Blutplättchen liefern.

Die Forscher begeistert an diesem Ergebnis besonders die Aussicht, dass der neu entdeckte Wirkmechanismus möglicherweise die Krebsbehandlung verbessern kann: “Eventuell können wir mit Interferon alpha nicht nur Blutstammzellen, sondern ebenso Tumorstammzellen aus dem Schlafzustand wecken und damit ihre oft beobachtete Resistenz gegen viele Krebsmedikamente brechen”, vermutet Andreas Trumpp.

Eine klinische Beobachtung weist bereits darauf hin, dass diese Vermutung mehr ist als reines Wunschdenken: Patienten, die an dem Blutkrebs chronisch myeloische Leukämie leiden und mit dem Medikament Glivec behandelt werden, erleiden nach Absetzen des Medikaments fast immer Rückfälle. Einigen Erkrankten wurde jedoch vor der Glivec-Therapie Interferon alpha verabreicht. Diese Patienten erlebten überraschenderweise lange rückfallfreie Phasen ohne jegliche Medikation. “Wir gehen davon aus”, erklärt Andreas Trumpp, “dass die Leukämie-Stammzellen durch die Interferongabe geweckt und damit für die Eliminierung durch das Medikament Glivec sensibilisiert wurden.” (Quelle: idw)

Paracelsus: Arzt mit legendären Heilungserfolgen

(idw). Krankenhäuser und Heilpraktikerschulen tragen seinen Namen, jedes Jahr erhalten Mediziner die Paracelsus-Medaille der deutschen Ärzteschaft. Doch wer war Paracelsus und was hat er so Wichtiges vollbracht, dass noch heute jeder seinen Namen kennt? Die “Nachrichten aus der Chemie” stellen den Heilkundigen der Renaissance vor und zeigen, wo sein Wirken bis heute Spuren hinterlassen hat.

Der vollständige Name des 1493 geborenen Arztes lautete Theophrastus Bombastus von Hohenheim, doch er selbst nannte sich Paracelsus. Wie Galileo Galilei war er ein typischer Gelehrter der Renaissance: Er gab wenig auf überlieferte Weisheiten aus Büchern. Sein kritischer Forschergeist spornte ihn an, eigene Beobachtungen anzustellen und nur das zu glauben, was er selber sah. Er übte offen Kritik an zur damaligen Zeit als unumstößlich geltenden Lehrmeinungen; dies verschaffte ihm erbitterte Feinde und versetzte die Wissenschaftswelt in Aufruhr.
Paracelsus setzte als erster alchemisch hergestellte Arzneimittel ein und sorgte so dafür, dass die Alchemie in die Medizin, Apotheken und Universitäten einzog. Später mauserte sich der neue Wissenschaftszweig zur modernen Naturwissenschaft.
Grundlage seines medizinischen Systems war die Dreiprinzipienlehre. Demnach besteht der menschliche Körper aus drei Einheiten: aus brennbarem Schwefel, der die Seele symbolisiert, aus flüchtigem Quecksilber als Zeichen des Lebensgeistes und aus festem Salz als Sinnbild des Körpers. Um einen Menschen zu heilen, waren diese drei Bestandteile ins Gleichgewicht zu bringen. Paracelsus’ Regeln für die Herstellung entsprechender Medikamente sind noch heute Bestandteil des homöopathischen Arzneibuches der Bundesrepublik Deutschland.
Leben und Wirken des Paracelsus präsentiert Michael W. Mönnich in der Doppelausgabe Juli/August der “Nachrichten aus der Chemie”. Die PDF-Datei des Artikels gibt es bei der Redaktion der “Nachrichten aus der Chemie” unter nachrichten@gdch.de.

Arterienverkalkung: Hilft Pizza dagegen?

(idw). Oregano gibt nicht nur der Pizza ihren typischen Geschmack. Das Gewürz enthält auch eine Substanz, die unter anderem gegen Entzündungen zu helfen scheint. Das haben Forscher der Universität Bonn und der ETH Zürich herausgefunden. Sie verabreichten den Wirkstoff namens Beta-Caryophyllen (E-BCP) Mäusen, die eine entzündete Pfote hatten. In sieben von zehn Fällen besserten sich daraufhin die Symptome. Möglicherweise lässt sich E-BCB auch gegen Erkrankungen wie Osteoporose oder Arterienverkalkung einsetzen. Die Studie erscheint am Montag, 23. Juni, in den “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS).
E-BCP ist ein typischer Inhaltsstoff vieler Gewürz- und Nahrungspflanzen. So kommt die Substanz unter anderem auch in Basilikum, Rosmarin, Zimt und schwarzem Pfeffer vor. Mit unserer Nahrung nehmen wir täglich bis zu 200 Milligramm des ringförmigen Moleküls auf.

Unbekannt war bislang, dass es im Körper segensreiche Wirkungen entfalten kann: “Nach unseren Ergebnissen ist E-BCP entzündungshemmend”, erklärt Professor Dr. Andreas Zimmer vom Bonner Life&Brain-Zentrum. “Aber nicht nur das: Experimente an Mäusen haben gezeigt, dass die Substanz sogar bei Osteoporose wirksam ist.”

Beta-Caryophyllen dockt spezifisch an bestimmte Empfänger-Strukturen in der Zellmembran an, die so genannten Cannabinoid-CB2-Rezeptoren. Dadurch verändert sich das Verhalten der Zelle: Sie schüttet dann beispielsweise weniger entzündungsfördernde Signalstoffe aus. “Wir haben Mäuse, die unter einer entzündlichen Schwellung der Pfote litten, mit E-BCP behandelt”, erläutert Dr. Jürg Gertsch von der ETH Zürich. “In bis zu 70 Prozent der Fälle klang die Schwellung daraufhin ab.”

Pizza macht nicht high

Damit könnte E-BCP als Ausgangspunkt für neue Medikamente in Frage kommen. Besonders attraktiv für Pharmaforscher ist dabei, dass die Substanz in der Natur so häufig vorkommt. Dazu gesellt sich aber noch ein zweiter Vorteil: Beta-Caryophyllen hat im Gegensatz zu anderen Substanzen, die auf den CB2-Rezeptor wirken, keine berauschende Wirkung.

Der CB2-Rezeptor hat nämlich einen “Bruder” namens CB1, der vor allem Drogenforschern ein Begriff ist. CB1 kommt unter anderem in den Nervenzellen des Gehirns vor. An ihn können beispielsweise bestimmte Inhaltstoffe der Hanfpflanze andocken. Was dann passiert, wissen Marihuana-Konsumenten allzu genau.

CB1 und CB2 sind zwar keine Zwillinge, aber doch sehr eng verwandt. Substanzen, die CB2 stimulieren, wirken daher oft auch berauschend. Anders E-BCP: Es ist der erste bekannte natürliche Wirkstoff, der spezifisch an CB2 bindet und nicht an CB1 – deshalb macht Pizza auch nicht high.

Beide Rezeptoren sind Teil des so genannten Endocannabinoid-Systems. Forscher schreiben ihm mehr und mehr eine wichtige Rolle bei verschiedenen Erkrankungen zu: Läuft es aus dem Ruder, können vermutlich Herzkrankheiten, Allergien, chronische Schmerzen oder auch Gedächtnisstörungen die Folge sein. “Endocannabinoide sind Substanzen, die der Körper selbst bildet und die ihn im Gleichgewicht halten”, erklärt Zimmer. So wirken sie bei einer Entzündung wie ein Tritt auf die Bremse: Sie verhindern, dass das Immunsystem zu viel des Guten tut und Abwehrreaktion außer Kontrolle gerät.

Auch chronische Störungen wie Morbus Crohn – eine Entzündung des Darmtrakts – lassen sich vielleicht mit E-BCP in den Griff bekommen. “Die Verbindung könnte ein wichtiger Faktor in der Ernährung sein, um derartige Zivilisationskrankungen zu bremsen”, vermutet Dr. Jürg Gertsch. Wer künftig alle Speisen mit Oregano würzt, lebt damit aber trotzdem nicht unbedingt gesünder. “Das Endocannabinoidsystem kommt dann zum Zuge, wenn bei Stoffwechselprozessen das Gleichgewicht gestört ist”, sagt Professor Zimmer. “Es ist ähnlich wie mit Antidepressiva: Die helfen zwar bei Depressionen. Ein Gesunder bekommt durch sie aber keine bessere Laune.”