Neuer Laser zeigt erstmals, ob Alzheimer-Medikamente wirklich im Gehirn ankommen

Viele Alzheimer-Medikamente zeigen im Labor gute Ergebnisse, scheitern im Körper aber oft früh, weil sie nicht dorthin gelangen, wo sie helfen sollen. Die Blut-Hirn-Schranke schützt das Gehirn vor Schadstoffen, hält aber auch viele Wirkstoffe zurück.

Für Patienten mit Alzheimer, ALS oder anderen neurologischen Erkrankungen ist das ein großes Problem. Selbst gute Medikamente verlieren ihren Nutzen, wenn sie das Gehirn nicht erreichen. In einer neuen Studie haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Laser entwickelt, der sichtbar macht, ob ein Wirkstoff diese Barriere überwindet.

Laser zeigt den Weg ins Gehirn

Bislang ließ sich dieser Pfad nur schwer verfolgen. Herkömmliche Verfahren liefern meist nur zweidimensionale Einzelschnitte. Für ein vollständiges Bild braucht es viele Aufnahmen nacheinander.

Die Wissenschaftler nutzen einen ungewöhnlichen Laserstrahl, der sich selbst zu einem extrem präzisen „Pencil Beam“ formt – einem Lichtstrahl so schmal wie eine Bleistiftspitze.

Eigentlich wollte das Team nur testen, wie viel Leistung eine spezielle Glasfaser aushält. Solche sogenannten Multimode-Fasern transportieren große Lichtmengen, gelten aber als schwer kontrollierbar. Normalerweise gilt: Je stärker der Laser wird, desto chaotischer verhält sich das Licht. Der Strahl streut, wird unscharf und verliert an Präzision. Doch das passierte nicht.

Aus starkem Licht wird ein schmaler Strahl

Als Doktorand Honghao Cao die Leistung fast bis an die Belastungsgrenze erhöhte, zog sich das Licht plötzlich zusammen. Statt Chaos entstand ein extrem schmaler, stabiler Strahl. Sixian You, Professorin für Elektrotechnik und Informatik am MIT und leitende Autorin der Studie, erklärt: „Die verbreitete Annahme in diesem Fachgebiet ist, dass Licht bei höherer Leistung zwangsläufig chaotisch wird. Aber wir haben bewiesen, dass das nicht so ist.“

Sie ergänzt: „Wir haben den Hinweisen vertraut, die Unsicherheit akzeptiert und einen Weg gefunden, wie sich das Licht selbst zu einer neuen Lösung für die Biobildgebung organisieren kann.“ Dieser selbstorganisierte Strahl war sauberer, stabiler und präziser als viele bisher genutzte Laserformen.

Zwei Bedingungen machen den Effekt möglich

Ganz zufällig entsteht dieser Effekt nicht. Die Forscher mussten zwei Bedingungen exakt erfüllen. Erstens musste der Laser im perfekten Null-Grad-Winkel in die Glasfaser eintreten. Zweitens musste die Leistung so hoch sein, dass das Licht direkt mit dem Glas der Faser wechselwirkt. Erst dann entstand der sogenannte Pencil Beam.

„Bei dieser kritischen Leistung kann die Nichtlinearität die innere Unordnung ausgleichen. So entsteht ein Gleichgewicht, das den Eingangsstrahl in einen selbstorganisierten Pencil Beam verwandelt“, erklärt Cao. Viele Labore arbeiten aus Sicherheitsgründen mit deutlich geringerer Leistung. Deshalb blieb dieser Effekt lange unentdeckt.

Sauberere Bilder ohne störende Lichthöfe

Ein großes Problem klassischer Laserbildgebung sind sogenannte Nebenkeulen. Das sind verschwommene Lichthöfe rund um den eigentlichen Strahl. Sie machen Bilder unscharf und erschweren präzise Beobachtungen. Der neue Pencil Beam reduziert diese Störungen deutlich. Dadurch entstehen klarere Bilder mit hoher Auflösung und großer Tiefenschärfe.

Das ist besonders wichtig bei biologischen Modellen, in denen Forscher verfolgen wollen, wie sich Stoffe durch Gewebe bewegen. Zuerst testete das Team die Technik an Nervengewebe im Darm von Mäusen. Danach folgte der entscheidende Schritt: ein lebendes menschliches Modell der Blut-Hirn-Schranke.

Blut-Hirn-Schranke 25-mal schneller sichtbar

Dort beobachteten die Forscher die Aufnahme von Transferrin. Dieses Transportprotein eignet sich gut, um sichtbar zu machen, wie Stoffe von Zellen aufgenommen werden.

Die Aufnahmen entstanden als dreidimensionale Scans im Minutentakt. Das Besondere: Die Forscher erzeugten diese Bilder etwa 25-mal schneller als mit der bisherigen Goldstandard-Methode – bei vergleichbarer Bildqualität. Damit wurde erstmals sichtbar, wie einzelne Zelltypen Stoffe aufnehmen und wie schnell ein Wirkstoff potenziell ins Gehirn gelangen kann. Roger Kamm, Professor für biologische und mechanische Technik am MIT, sagt:

Zum ersten Mal können wir jetzt den zeitabhängigen Eintritt von Medikamenten ins Gehirn sichtbar machen und sogar erkennen, mit welcher Geschwindigkeit bestimmte Zelltypen den Wirkstoff aufnehmen.

Ein weiterer Vorteil: Die Zellen brauchen keinen fluoreszierenden Marker. Das vereinfacht die Untersuchung deutlich. Kamm erklärt außerdem: „Die Pharmaindustrie interessiert sich besonders für menschliche Modelle, weil Tiermodelle oft schlecht vorhersagen, was später beim Menschen passiert.“

Kurz zusammengefasst:

• Die Blut-Hirn-Schranke schützt das Gehirn vor schädlichen Stoffen, blockiert aber oft auch Medikamente gegen Alzheimer, ALS und andere neurologische Erkrankungen.
• Forscher vom Massachusetts Institute of Technology entdeckten einen Laserstrahl, der sich selbst zu einem besonders präzisen „Pencil Beam“ ordnet und dadurch viel klarere 3D-Bilder ermöglicht.
• Mit dieser Methode lässt sich etwa 25-mal schneller prüfen, ob ein Wirkstoff die Blut-Hirn-Schranke überwindet und tatsächlich im Gehirn ankommt – das kann die Entwicklung neuer Therapien deutlich beschleunigen.

Übrigens: Alzheimer und Parkinson könnten viel früher beginnen als bisher gedacht – nicht in den Nervenzellen selbst, sondern in den Verbindungen dazwischen. Neue Daten aus Cambridge zeigen, warum Schäden an der weißen Hirnsubstanz das ganze Gehirn belasten können. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © MIT unter Lizenz CC BY-NC-ND 3.0