Chromaffinzellen: das periphere Gehirn

Chromaffinzellen bilden das vielleicht interessanteste zelluläre System im menschlichen Körper. Sie sind eng mit den sympathischen Neuronen verwandt und gehören zu den am intensivsten untersuchten Abkömmlingen der Neuralleiste. Als evolutionärer Hybrid des endokrinen und des Nervensystems dienen sie als Modell für die Erforschung der grundlegenden Mechanismen der Neurophysiologie, der regulierten Sekretion und der Pharmakologie. So können die chromaffinen Zellen der Nebenniere als peripheres Gehirn betrachtet werden, da sie mit den Neuronen einige grundlegende Mechanismen teilen: (1) Sie empfangen elektrische und chemische Signale; (2) sie sind in der Lage, diese Signale zu entschlüsseln und zu erkennen; (3) sie verfügen über einen Mechanismus zur Erzeugung und Ausarbeitung von Reaktionsmustern wie der Freisetzung von Katecholaminen und anderen Botenstoffen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die chromaffinen Zellen wie ein Neuron als sekretorische Zelle betrachtet werden können, die ihr Sekret in großer Entfernung vom Zellkörper, in dem Makromoleküle synthetisiert werden, freisetzt und für eine schnelle Kommunikation zwischen weit voneinander entfernten Teilen des Körpers sorgt. Darüber hinaus dient das Nebennierenmark mit seinen Chromaffinzellen durch die Freisetzung von Katecholaminen der Kommunikation mit allen wichtigen Organen wie Herz, Gefäßapparat, Lunge, Niere und auch dem Gehirn.

Die Chromaffinzellen, die sich im Zentrum eines leicht zugänglichen peripheren Organs befinden, dienen seit vielen Jahren als Fenster zu den Funktionen des Gehirns. Chromaffinzellen dienten als Modell, um das grundlegende Konzept der neurochemischen Übertragung zu erkennen. Die ersten sekretorischen Organellen wurden aus Chromaffin-Zellen isoliert, und Chromaffin-Vesikel dienten als Modell für Neurotransmitter-haltige Vesikel. Viele der wichtigsten Vesikel-assoziierten Proteine, die am Prozess der Exozytose beteiligt sind, wurden in Chromaffinvesikeln charakterisiert.1, 2, 3, 4, 5

Die Chromaffinzellen haben den gleichen ektodermalen (Neuralleiste) Ursprung und sind Teil des so genannten Erspamerschen Dreiecks (Haut, Darm und Gehirn), die die gleichen Neurotransmitter, Neuropeptide und Transduktionsmechanismen besitzen.6 Ein Großteil des heutigen Verständnisses der Physiologie und Pathophysiologie von Neuropeptid- und Monoamin-Neurotransmittersystemen ist Studien mit Chromaffinzell-Modellen zu verdanken. Die von Greene und Tischler7 vor über 35 Jahren entwickelte Zelllinie des Phäochromozytoms der Ratte (PC12) ist nach wie vor eine der am besten untersuchten und stellt auch heute noch ein leistungsfähiges Modell für das Verständnis neuronaler Systeme dar. Diese Zelllinie und andere chromaffine Modellsysteme haben sich als besonders nützlich für die Untersuchung exozytotischer Mechanismen erwiesen, einschließlich der Funktionsweise von Ionenkanälen, der vesikulären Dynamik und der Kopplung von Stimulus und Sekretion. Die damit verbundenen methodischen Fortschritte in der Elektrophysiologie, von der Entwicklung der Patch-Clamp-Technik bis hin zu anspruchsvolleren Techniken, die elektrophysiologische und elektrochemische Methoden kombinieren (z. B. Patch-Amperometrie), wurden durch die Verfügbarkeit solcher Modellsysteme weitgehend erleichtert.

In der in situ perfundierten Nebenniere der Katze konnte durch die Verwendung verschiedener rezeptorischer Stimuli (Acetylcholin, Nikotin, Dimethylphenylpiperazimium usw.) eindeutig nachgewiesen werden, dass die chromaffinen Zellen zwei verschiedene neurosekretorische Granula besitzen (die noradrenergen und die adrenergen), Dies schließt die Vorstellung aus, dass die noradrenergen Zellen die Vorläuferzellen sind, in denen die Phenylethanolamin-N-Methyltransferase wirkt, um sie in adrenerge Chromaffinzellen zu verwandeln. Darüber hinaus steigert D-Amphetamin auch im Gehirn die Freisetzung von Noradrenalin besonders stark.8, 9

Neben dem besseren Verständnis der neuronalen Entwicklungsprozesse sind chromaffine Zellsysteme für die Erforschung neurodegenerativer Prozesse, der Tumorentstehung und der Medikamentenentwicklung von großer Bedeutung.

Außerdem wurden sie aufgrund der engen Verwandtschaft der chromaffinen Zellen mit den katecholaminergen Neuronen sogar für die Behandlung neurodegenerativer Hirnerkrankungen wie der Parkinson-Krankheit eingesetzt.10 Zwischen 1988 und 2001 wurden >300 Parkinson-Patienten durch autologe Nebennierentransplantationen behandelt, wobei sich die klinischen Symptome teilweise verbesserten. Die Überlebensraten der transplantierten adulten chromaffinen Zellen waren jedoch nur von kurzer Dauer, und die klinischen Verbesserungen verschwanden 1-2 Jahre nach der Transplantation.11, 12 Eine schwerwiegende Einschränkung bei der Anwendung von adultem Nebennierenmark war wahrscheinlich die post-mitotische Natur der meisten transplantierten Zellen.

Zur gleichen Zeit haben Endokrinologen die Rolle verschiedener zentraler Releasing-Hormone und Neuropeptide innerhalb der chromaffinen Zellsysteme untersucht.13 Interessanterweise exprimiert das Nebennierenmark in der Peripherie eine ähnliche Reihe von Neuropeptiden, die auch im Gehirn vorkommen und an der Stressregulation, Energiehomöostase, Angst und Schmerz beteiligt sind.14, 15 Das Konzept der ektopischen Hormonproduktion wurde unter anderem in diesen Zellen beschrieben und verfeinert. Dazu gehört die Expression von Corticotropin-Releasing-Hormon, Adrenocorticotropin, Pro-opiomelanocortin und anderen Neuropeptiden im Nebennierenmark. Der intensive Crosstalk der endokrinen Zellen, die parakrinen und neuroklinen Wege der endokrinen Kommunikation, wurden insbesondere in der Nebenniere nachgewiesen.16 Auch hier ahmt die komplexe, aber zugängliche Mikroumgebung der Nebenniere die Mikroumgebung des Gehirns in Bezug auf den Crosstalk neuronaler Strukturen mit verschiedenen endokrinen Zelltypen nach.17 Darüber hinaus wurde die Wirkung von Steroiden und Neurosteroiden, die im Gehirn vorkommen, in chromaffinen Zellsystemen eingehend untersucht.18, 19 Die enge Interaktion zwischen dem kortikalen und dem medullären Teil der Nebenniere wurde schon vor langer Zeit nachgewiesen. Die Hemmung der Biosynthese von Glukokortikoiden in der Nebenniere durch den spezifischen Inhibitor Aminoglutethimid führte sowohl bei Katzen als auch bei Ratten zu einem signifikanten Rückgang der Katecholamine auf medullärer Ebene, ohne dass es zu Veränderungen zwischen den beiden Arten von chromaffinen Zellen kam. Glukokortikoide üben also eine permissive Rolle auf das chromaffine System über einen doppelten Mechanismus aus, einen direkten an den chromaffinen Zellen und einen indirekten über die Hemmung der CRH-Freisetzung auf hypothalamischer Ebene.20, 21

Während das periphere Stickoxidsystem in der Nebennierenrinde auftritt, exprimieren die chromaffinen Zellen das Stickoxidsystem des Gehirns. So wurden die grundlegenden Mechanismen der Stickoxidregulierung sowohl für Neuronen als auch für endokrine Zellen in den chromaffinen Zellen identifiziert.22 In ähnlicher Weise enthalten die Hypophyse und das Nebennierenmark die höchste Menge an Vitamin C im menschlichen Körper, und die Mechanismen der Aufnahme von Vitamin C und der Regulierung von Neurotransmittern wurden in chromaffinen Zellen identifiziert.23

Die umfassende Rolle des Nervenwachstumsfaktors (NGF) im lebenden Organismus wurde zuerst im Nebennierenmark entdeckt.24 Tatsächlich entdeckten Unsicker et al.25 an der Johns Hopkins University fest, dass unreife chromaffine Zellen aus dem Nebennierenmark, die in Gegenwart von NGF kultiviert wurden, die biochemischen und morphologischen Eigenschaften von sympathischen Neuronen annehmen.

Aloe und Levi-Montalcini26 haben darüber hinaus in Experimenten im Labor für Zellbiologie des CNR (Italienischer Forschungsrat) in Rom in vivo nachgewiesen, dass die Verabreichung von NGF an den Rattenfötus, die drei Wochen nach der Geburt fortgesetzt wurde, die Differenzierung der Chromaffinzellen in sympathische Neuronen in der Nebenniere auslöste. Damit wurde eindeutig nachgewiesen, dass NGF im lebenden Organismus eine weitaus größere Rolle spielt, als bisher angenommen wurde.

Das Zentralmark nahm infolge der Differenzierung von Nebennierenzellen zu sympathischen Neuronen, die eine große Zahl weit verzweigter Fasern aussprossen, deutlich an Volumen zu.

Angesichts der herausragenden Rolle, die das Chromaffinzellsystem in der Vergangenheit gespielt hat, wäre es ein Fehler, dieses System nicht für die aktuellen Fragen der Hirnforschung zu nutzen.

Wir sind in eine neue Ära der regenerativen Medizin auch für neurodegenerative Erkrankungen des Gehirns eingetreten. Chromaffinzellen könnten erneut die Führung übernehmen, um einige der Regenerationsmechanismen zu erforschen, die in ähnlicher Weise zu den komplexeren Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS) gehören. Chromaffinzelllinien werden jetzt verwendet, um die Rolle von NGF bei der Alzheimer-Krankheit zu untersuchen. Tatsächlich fördern Proteine aus den Chromaffingranula das Überleben von Neuronen,27 was auf eine Reihe von bekannten oder noch unbekannten Neurotrophinfaktoren zurückzuführen sein könnte. So führte NGF-Entzug bei differenzierten PC12-Zellen zu einer Überproduktion von Amyloid-β-Peptiden, den toxischsten Proteinfragmenten, die direkt mit der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden, und zwar gleichzeitig mit dem Zelltod durch Apoptose.28 Die enge Verbindung zwischen NGF-Entzug und Aktivierung des amyloidogenen Weges wurde auf Hippocampus-Neuronen ausgedehnt.29 Diese Studien haben eine neue Eigenschaft von TrkA, dem hochaffinen NGF-Rezeptor, offenbart. Bei NGF-Entzug schaltet TrakA von einem prosurvivalen auf ein proapoptotisches Zellsignalisierungssystem um. Es liegt die Vermutung nahe, dass diese Eigenschaft auch in chromaffinen Neuronen mit NGF-Rezeptor zum Tragen kommt und neue Wege für die Zellsignalisierung in diesen Zellen eröffnet.29

NGF fördert auch das Überleben der Zellen bei Stress des endoplasmatischen Retikulums in PC12-Zellen.30 Darüber hinaus werden PC12-Zellen inzwischen häufig zur Untersuchung der Wirkung und der Signalwege zahlreicher anderer neurotropher und neuroprotektiver Peptide bei der Hirnregeneration verwendet. Dazu gehören hypophysäres Adenylatzyklase-aktivierendes Polypeptid,31, 32 Knochenmorphogenetisches Protein 733 und zerebraler dopamin-neurotropher Faktor,34 der dopaminerge Neuronen bei degenerativen Erkrankungen des Gehirns wie der Parkinsonschen Krankheit wiederherstellen kann. Sequenzvariationen im BDNF-Gen wurden mit schweren Depressionen und dem Erfolg einer Behandlung mit Antidepressiva in Verbindung gebracht35 , und die Rolle von BDNF bei der Vermittlung der neuroprotektiven Wirkung von Antidepressiva wurde vor kurzem in Chromaffin-Zelllinien untersucht.36

Darüber hinaus gibt es immer mehr Hinweise auf die Existenz multipotenter Vorläuferzellen aus der Neuralleiste im adulten Nebennierenmark.37 Ihre kürzliche Identifizierung und Isolierung38 weckt neue Hoffnungen auf ihren möglichen Einsatz bei der regenerativen Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit.39, 40, 41 Chromaffin-Vorläuferzellen haben wesentliche Eigenschaften mit neuralen Stammzellen gemeinsam. Ähnlich wie Neurosphären wachsen Chromaffin-Vorläuferzellen in Kugeln mit Selbsterneuerungskapazität, die wir Chromosphären genannt haben, wenn sie daran gehindert werden, an der Kulturschale zu haften. Sie exprimieren die neuralen Progenitormarker Nestin, Vimentin, Musashi 1 und NGF-Rezeptor sowie Sox1 und Sox10,38 Mash137 und Proteine des Notch-Signalwegs (Vukicevic und Kollegen, in Überarbeitung). Außerdem sind sie in der Lage, sich zu reifen katecholaminergen Neuronen38 zu differenzieren (Vukicevic und Kollegen, in Überarbeitung). Ähnlich wie bei sich differenzierenden neuralen Stammzellen, bei denen Notch ein Schlüsselregulator für die Aufrechterhaltung neuraler Stammzellen im sich entwickelnden Nervensystem ist,42, 43 geht die Verschiebung in Richtung neuronaler Differenzierung von Chromosphärenzellen mit einer Verringerung neuraler Vorläufermarker wie Notch-2, Hes (hairy and enhancer of split) 1, Hes 5 und Nestin einher (Vukicevic und Kollegen, in Überarbeitung).

Schließlich sollte nicht vergessen werden, dass enterochromaffine Zellen auch aus der Neuralleiste stammen und den Ort darstellen, an dem Vittorio Erspamer in den 1930er Jahren Enteramin entdeckte,44 das später als identisch mit dem im ZNS vorhandenen Serotonin (5-HT)45 befunden wurde.46 In der Literatur gibt es zahlreiche Arbeiten, die zeigen, dass andere Neurotransmitter, Neuropeptide und dieselben Transduktionsmechanismen, die im Gehirn vorhanden sind, auch in den gastrointestinalen chromaffinen Zellen existieren, wo sie eine wichtige Rolle spielen.47

Chromaffin-Zellen und Gehirnneuronen und ihre Vorläuferzellen haben also ähnliche Signalwege und stellen wiederum ein ideales Modell dar, um die angeborenen Wege und Ziele für die Regeneration des Gehirns zu identifizieren.

Rezente Bemühungen, das endogene Regenerations- und Reparaturpotenzial des erwachsenen ZNS zu erforschen, stoßen auf große Schwierigkeiten, die auf der Starrheit des Systems und dem begrenzten Zugang zu Arzneimitteln beruhen. Die Blut-Hirn-Schranke begrenzt die Zahl der Faktoren, die systemisch getestet werden können, und macht invasive Alternativen wie direkte Injektionen in das Gehirn erforderlich. Die Rigidität ergibt sich aus der subtilen Plastizität, die möglicherweise dazu dient, die Homöostase und das Gedächtnis zu erhalten. Im Gegensatz dazu ist die Nebenniere ein bemerkenswert plastisches Organ, das auf viele körperliche und emotionale Belastungen in besonderer Weise reagiert. Für den Wissenschaftler, der Zustandsveränderungen erforscht, ist die Nebenniere ein hervorragender Werkzeugkasten. Der Kanarienvogel in der Kohlemine ist die Chromaffinzelle und ihre Vorläuferzelle. Physische und emotionale Beeinträchtigungen verändern die Funktion, die Eigenschaften und die Anzahl dieser Zellen in einer Weise, die leicht zu bewerten und zu manipulieren ist. Die Relevanz für die Neurowissenschaften ist unmittelbar: Chromaffin-Vorläuferzellen weisen viele Gemeinsamkeiten mit ihren echten ZNS-Brüdern auf; sie können auf die gleiche Weise kultiviert werden (Abbildung 1), sie exprimieren viele gemeinsame Marker, einschließlich Komponenten des Zytoskeletts und Transkriptionsfaktoren, und, was besonders wichtig ist, sie reagieren auf viele Behandlungen ähnlich. Als Forschungssystem für Neurowissenschaftler ist die Nebenniere ein Modell des Gehirns, das außerhalb der Blut-Hirn-Schranke liegt und verstärkte Reaktionen hervorruft. Die Chromaffin-Vorläuferzellen in der Nebenniere sind ein zugängliches und messbares Fenster zur Funktionsweise der neuronalen Stammzellen des ZNS. In einer Zeit, in der Wissenschaftler danach streben, sich nicht auf ein Organ festzulegen, sondern nach Hinweisen zu suchen, die zu neuen therapeutischen Ansätzen an möglichst vielen Stellen führen, ist das chromaffine Zellsystem ein hervorragender Forschungspartner für sein esoterischeres ZNS-Gegenstück.

Im ZNS wird eine Rolle endogener neuraler Stammzellen (eNSCs) bei der Bildung neuer Neuronen nur in zwei Bereichen erkannt, der subventrikulären Zone und dem Gyrus dentatus des Hippocampus. Dennoch wurden Populationen von eNSCs im gesamten Gehirn und Rückenmark von erwachsenen Nagetieren und Primaten entdeckt. Eine weit verbreitete Population kann anhand der Expression des Transkriptionsfaktors Hes3 identifiziert werden.48 Diese Beobachtungen haben die Frage aufgeworfen, welche Rolle eNSCs über den Zellersatz hinaus spielen. Hes3 wird durch einen nicht-kanonischen Zweig des Notch-Signalwegs reguliert, der die sequenzielle Aktivierung des Notch-Rezeptors, die Phosphorylierung des Signalmoleküls Signal Transducer and Activator of Transcription 3 an seinem Serinrest und die Induktion der Hes3-Transkription umfasst.49 Andere Faktoren, die diesen Signalweg an verschiedenen Stellen regulieren, darunter Insulin,50 Inhibitoren der p38MAP- und Janus-Kinasen, der Tie2-Rezeptor-Ligand Angiopoietin 2 und das Cholera-Toxin51 , erhöhen ebenfalls die Stammzellzahl. Einzeln betrachtet haben einige dieser Faktoren nachteilige Auswirkungen auf das Gefäßsystem (einige sind pro- und andere anti-angiogen).52 Kombiniert man sie in einer bestimmten Mischung, die Delta4, Angiopoietin2, Insulin und einen Januskinase-Inhibitor enthält, wird eine maximale Erhöhung der eNSC-Zahl bei minimalen vaskulären Nebenwirkungen erreicht. Bei Ratten, die an experimentellem Parkinsonismus erkrankt sind, fördert eine einzige Injektion dieser Mischung die langfristige Rettung von Dopamin-Neuronen, die andernfalls absterben würden, und die Erholung der motorischen Fähigkeiten. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eNSCs eine Rolle beim Schutz geschädigter Neuronen spielen. Viele dieser Komponenten des Signalwegs sind möglicherweise auch im Chromaffinzellsystem zu finden, und Arbeiten haben bereits gezeigt, dass der Notch-Rezeptor und mehrere gemeinsame Transkriptionsfaktoren (siehe oben) generell beteiligt sind. Darüber hinaus deutet die stark vaskularisierte Umgebung der Nebenniere darauf hin, dass angiogene Zytokine auch die adrenomedullären Vorläuferzellen regulieren könnten. Obwohl die Beteiligung von Chromaffin-Vorläuferzellen an der Zellauffüllung im Nebennierenmark feststeht, deuten Daten aus dem ZNS darauf hin, dass zusätzliche regulatorische und möglicherweise überlebensfördernde Funktionen von Chromaffin-Zellen im Nebennierenmark noch auf ihre Entdeckung warten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lehren, die wir aus der Biologie der Chromaffin-Zellen als peripheres Modell für Hirn- und Gehirnerkrankungen gezogen haben, mehr denn je zur Spitzenforschung in der Neurobiologie gehören. Wir sollten die Verwendung dieses Modells fortsetzen und intensivieren, um die Mechanismen der Regeneration sowohl im ZNS als auch im neuroendokrinen Gewebe zu entschlüsseln. Es wird nicht nur dazu beitragen, die grundlegenden Mechanismen der Zellerneuerung und -regeneration zu erforschen, sondern auch dazu, neue Strategien für zukünftige regenerative Therapien des Gehirns zu entwickeln.