Wenn Ammoniak giftig wird
Ammoniak ist sehr giftig für das Gehirn und neue Forschungen zeigen, warum: die Fähigkeit der Gliazellen, Kalium zu entfernen, ist gestört.
Das Bild zeigt einzelne Gliazellen tief im Gehirn lebender Mäuse sowie eine Mikroelektrode, mit der die elektrische Aktivität von Nervenzellen unter dem Zwei-Photonen-Lasermikroskop gemessen wird. Foto: Rangroo Thrane/Thrane, UiO.
Bislang hatten wir nur begrenzte Kenntnisse über die Mechanismen, die der Toxizität von Ammoniak für das Gehirn zugrunde liegen.
Das Forscherteam von Professor Erlend Nagelhus am Institut für medizinische Grundlagenforschung hat jedoch in Zusammenarbeit mit amerikanischen Wissenschaftlern wichtige Informationen über die toxische Wirkung von Ammoniak auf die Glia- und Nervenzellen des Gehirns herausgefunden.
Bei gesunden Menschen wandelt die Leber Ammoniak in Harnstoff um, eine Substanz, die mit dem Urin ausgeschwemmt wird.
Bei Menschen mit eingeschränkter Leberfunktion kann der Körper Ammoniak jedoch nicht schnell genug ausscheiden. Die Folge sind überhöhte Ammoniakkonzentrationen im Blut.
– Dies führt zu einer Ammoniakvergiftung, die Krampfanfälle und Koma auslösen und im schlimmsten Fall tödlich sein kann, so die Hauptautoren Vinita Rangroo Thrane und Alexander Thrane.
Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten medizinischen Fachzeitschrift Nature Medicine veröffentlicht.
Überwältigt die Abwehrkräfte des Gehirns
Wenn übermäßige Mengen von Ammoniak in das zentrale Nervensystem gelangen, werden die Abwehrkräfte des Gehirns stark herausgefordert.
– Eine komplexe molekulare Kettenreaktion wird ausgelöst, wenn das Gehirn übermäßigen Mengen von Ammoniak ausgesetzt ist. Wir haben herausgefunden, dass Ammoniak den Kaliumtransport in die Gliazellen des Gehirns kurzschließt.
– Das bedeutet, dass sich Kalium um die Nervenzellen herum ansammelt, was dazu führt, dass diese Zellen übermäßige Mengen an Kalium und Chlorid aufnehmen. Mit anderen Worten, die Abwehrkräfte des Gehirns gegen Ammoniak werden überwältigt, erklärt Rangroo Thrane.
Diese neuen Erkenntnisse könnten zu einer neuen und verbesserten Behandlung von Patienten führen, die an Leberkoma und Krampfanfällen leiden, darunter Erwachsene mit alkoholischem Leberversagen, Kinder mit angeborenem Leberenzym-Mangel und möglicherweise auch epileptische Kinder mit normaler Leberfunktion. In Norwegen erleiden jährlich mehr als 500 Patienten ein Leberversagen.
Widerlegung früherer Studien
Die Auswirkungen von Ammoniak auf die Gehirnzellen wurden von vielen Forschern untersucht, die sich jedoch in der Regel auf einzelne Zellen oder Gewebeproben beschränkten. Rangroo Thrane erklärt:
– Diese Studien haben gezeigt, dass Gliazellen, die Ammoniak ausgesetzt sind, recht schnell anschwellen. Unsere Forschung zeigt, dass das Anschwellen der Gliazellen nicht erforderlich ist, damit Ammoniak für das Gehirn toxisch ist. Dreidimensionale Bildgebung und Volumenanalysen einzelner Zellen zeigten paradoxerweise, dass die Gliazellen in der Großhirnrinde während der Ammoniakvergiftung schrumpfen.
Neue Technologie enthüllt die Wirkung von Ammoniak
Aufnahmen von intakten Mäusegehirnen ermöglichten den Forschern diese Schlussfolgerungen zu ziehen. Mit Hilfe einer neuen Bildgebungstechnologie, der so genannten Zwei-Photonen-Mikroskopie, konnten sie die mikroskopische Wirkung von Ammoniak auf Nerven- und Gliazellen in lebenden Mäusen beobachten.
Die norwegischen Forscher hinter den Entdeckungen (von links): Alexander Thrane, Erlend Nagelhus und Vinita Rangroo Thrane am Institut für medizinische Grundwissenschaften der Universität Oslo. Foto: Gunnar F. Lothe, UiO.
– Die mikroskopische Untersuchung lebender Zellen in unbeschädigtem Gewebe war früher aufgrund der schädlichen Wirkung herkömmlicher Laser auf das Gewebe unmöglich.
– Dies änderte sich mit der Einführung der Zwei-Photonen-Lasermikroskopie, denn diese Art von Mikroskop liefert ultrakurze Lichtimpulse am Brennpunkt, ohne das Gewebe zu erhitzen oder zu schädigen, erklärt Rangroo Thrane.
Neue Behandlung mit verfügbaren Medikamenten
Neben der Aufdeckung des Mechanismus, der der Ammoniak-Toxizität zugrunde liegt, haben Rangroo Thrane und ihre Kollegen auch eine mögliche Behandlung gefunden.
Die Forscher fanden heraus, dass das harntreibende Medikament Bumetanid (Burinex) das Ausmaß der Ammoniakschäden verringern kann, wodurch die Symptome der Ammoniakvergiftung gelindert und die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöht werden.
– Bumetanid blockiert den Transport von Kaliumchlorid in die Nervenzellen und schützt sie so vor Schäden. Unsere Studie hat gezeigt, dass das Medikament die normale elektrische Aktivität im Gehirn von Mäusen mit Ammoniakvergiftung wiederherstellt und epileptische Anfälle verhindert, sagt Rangroo Thrane.
Die Tatsache, dass Bumetanid in norwegischen Krankenhäusern bereits als Diuretikum bei der Behandlung von Herzversagen, Nierenversagen und Bluthochdruck eingesetzt wird, könnte den Weg zu einer Änderung des Behandlungsregimes verkürzen.
– Weitere Tierversuche und klinische Studien sind erforderlich, um zu klären, ob Bumetanid auch eingesetzt werden kann, um zu verhindern, dass Ammoniak den Menschen schadet, sagt Rangroo Thrane.
Der Artikel ist auch auf Sciencenordic.com
veröffentlicht.