Wenn atmen zum Nobelpreis führt

Ja, manchmal kann es so einfach sein. So einfach wie atmen, so unkompliziert wie Sauerstoff. Doch wirklich einfach ist es natürlich nicht, was hinter den Nobelpreisträgern steht. In Wirklichkeit gab es ganz schön was zu überwinden, überstehen und genauer zu erforschen, bis es endlich so weit war. Drei Nobelpreisträger haben einen Mechanismus aufgeschlüsselt, der zeigt, wie Zellen auf einen Sauerstoffmangel reagieren. Was aber passiert, wenn er nicht funktioniert, oder sogar ausfällt? Ja, dann geht so gut wie alles daneben. Doch beginnen wir von ganz vorne, denn schließlich sollten wir jetzt erst einmal eines tun: Zurücklehnen und tief ein- und ausatmen. Denn genau damit beginnt die wahre Geschichte, von der wir heute berichten, und an deren Ende drei frisch gebackene Preisträger stehen.

 

Wie reagieren Zellen auf Sauerstoff?

 

Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler und Forscher auf der ganzen Welt bereits seit Jahrzehnten. Dazu muss man wissen, dass es atmende Zellen gibt, welche stets damit beschäftigt sind, nicht an einer zu hohen oder zu niedrigen Konzentration des Sauerstoffs zu leiden. Sie müssen diese Schwankungen also ständig ausgleichen. Jede Zelle nutzt Sauerstoff auch als Antrieb zur Energiegewinnung. Befindet sich aber zu viel Sauerstoff in der Zelle ist dies giftig und sogar tödlich für die Zelle. Damit genau dies kein Problem darstellt, haben Zellen eine sehr schnelle Reaktionszeit. Verändert sich der Gehalt an O2 in der Umgebung, so reagieren sie sofort. Dieses gesamte biologische System wurde und wird von Forschern und Wissenschaftlern weltweit erforscht. Für all diese Mühen wurden jetzt drei Nobelpreisträger geehrt. William G. Kaelin, Peter J. Ratcliffe und Gregg Semenza erhielten den Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2019. Sie erhielten die Auszeichnung für ihre Arbeit rund um das Spektrum der Aufnahme und Reaktion von Zellen auf Sauerstoff. Die Erkenntnisse auf diesem Gebiet haben sich laut den Forschern stark verändert, denn noch vor zwei bis drei Milliarden Jahren gab es die Konzentration an Gift Sauerstoff in der Luft noch nicht. Erst seit damals gibt es dieses „Problem“. So genannte Zyanobakterien begannen damit, Energie zu gewinnen und betrieben dafür Fotosynthese. Damit begannen sie die Umwelt immer mehr mit o2 anzureichern. Es ist ein Abfallprodukt, das bei diesem Prozess entsteht. Kurz darauf entwickelte sich ein Stoffwechsel, um das Gas zu verwerten. Durch diese Entwicklung kann kaum eine Zelle, welche Sauerstoff veratmet, einen längeren Zeitraum überleben, wenn ein O2 Mangel entsteht. Dieser wird als Hypoxie bezeichnet und kann zum Tod der Zelle führen. Der Grund ist, dass die Zellen den Stoff dringend zur Energiegewinnung benötigen. Ohne genügend Sauerstoff können die Zellen nicht ausreichend Energie produzieren.

 

Die intelligente Zelle entwickelte sich

 

Mit den Jahren schritt die Evolution voran und so konnte sich auch Mechanismen entwickeln, welche die Zellen in der Lage waren, den Gehalt an Sauerstoff in ihrer Umgebung einschätzen zu können und sich auf diesen Wert einzustellen. Auch der Mensch kann sich dahingehend anpassen. Sinkt der Sauerstoffgehalt, so sorgt das Atemzentrum im Gehirn dafür, dass die Atmung schneller und tiefer erfolgt. Dadurch nehmen wir mehr Sauerstoff über die Lungen auf, welcher dann in den Blutkreislauf gegeben wird. Wie allerdings dies genau funktioniert, hat der aktuelle Preisträger Gregg Semenza seit Jahren erforscht. Dabei nutzte er genetisch veränderte Mäuse, welche ihm die Erkenntnis brachten, dass die Entscheidung, wie die Zellen auf ein Sauerstoffdefizit reagieren durch Abschnitte der DNA und EPO-Gene mit getroffen werden, welche sich in unmittelbarer Nähe befinden. Um diese Prozesse deutlicher zu erforschen und intensivere Erkenntnisse zu erhalten, war jahrelange Wissenschaft nötig. Am Ziel angelangt sind die Forscher noch immer nicht, denn das Feld ist sehr groß. Allerdings fanden sie auf halber Strecke einen grundlegenden Mechanismus heraus, der die gesamte Sauerstoffsensorik der Körperzellen beeinflusst. Dabei geht es vor allem um einzelne, noch so kleine Stoffe, die sogar nur kurzzeitig im Körper und den Zellen auftauchen und direkt wieder nach der Erfüllung ihrer Aufgabe verschwinden und entsorgt werden. Dass auch Krebszellen überaus intelligent sein können ist bereits bekannt. Bei der Erforschung eines bestimmten Krebssyndroms, der Von-Hippel-Lindau-Krankhkeit, kurz VHL, stießen die Wissenschaftler um William Kaelin mehr oder weniger zufällig auf Erkenntnisse, die die Sauerstoffversorgung von Zellen betrifft. Bei VHL spricht man auch von einem mutierten Protein. Kommt es zu einem Ausfall, so entarten Zellen und es kommt dazu, dass zahlreiche Proteinarten sich in hoher Konzentration in den betroffenen Zellen ansammeln. Dabei tragen sie kein funktionsfähiges VHL in sich. Wichtig dabei ist der entscheidende Punkt: Diese Proteine werden nur produziert, wenn der Körper einen Sauerstoffunterversorgung detektiert. VHL ist nur ein Teil eines großen Kollektivs an Proteinen. Soweit ist der wissenschaftliche Stand heute. Während der Studien wurde auch das Zusammenspiel zwischen VHL und anderen Proteinen und Stoffen, wie HIF-1α im Zusammenhang mit erhöhter oder zu niedriger Sauerstoffkonzentration erforscht. Dabei kamen sie zu dem Punkt, dass bei einer Unterversorgung VHL nicht dafür sorgt, dass HIF-1Α-Proteine abgebaut werden. Im Gegenteil, sie werden sogar vor dem Abbau geschützt. Im weiteren Verlauf der Forschungen wurde auch ermittelt, dass HIF-1α von allen Prozessen abhängig ist, die durch den Transkriptionsfaktor und dem Sauerstoffgehalt in den Zellen reguliert werden.

 

Jede noch so kleine Zelle arbeitet äußerst komplex

 

Viele Prozesse geschehen in unserem Körper, ohne dass wir etwas davon bemerken. Sie laufen einfach ab. Doch was wirklich bis ins kleinste Detail dort geschieht, und warum und welche Faktoren dies stören oder verändern könnten, ist noch lange nicht erforscht. Die Versorgung des Sauerstoffs der Zellen ist einer der ersten Ansätze und eines der ersten Gebiete die Wissenschaftler und Forscher genauer unter die Lupe nehmen. Die Zellen müssen jederzeit mit der idealen Menge an Sauerstoff versorgt werden. Je nachdem welche Zelle oder welcher Gewebetyp herangezogen wird, werden extrem viele dieser Vorgänge durchgeführt. Wie sich diese stark verändern kann bei Personen im Höhentraining oder auch bei gedopten Sportlern beobachtet werden. Hierbei kann eine vermehrte Bildung von roten Blutkörperchen beobachtet werden. Diese sind für eine gute Sauerstoffversorgung und den Sauerstofftransport wichtig. Wird ein Gewebe unterversorgt so tritt das so genannte EPO in Aktion und fördert die Neubildung von Gefäßen, damit die Versorgung per Blutzufuhr gewährleistet ist. Dieser Prozess kann aber unter gewissen Umständen ausfallen und hat dann dramatische Auswirkungen. Bei Tumorerkrankungen wurde das Gegenteil beobachtet. Der Krebs regt die EPO-Produktion an und möchte damit die Blutversorgung der Tumore optimieren. Er will so erreichen, schneller wachsen zu können. Neue Krebsmedikamente, welche aktuell entwickelt werden, basieren auf diesen Erkenntnissen. Gerade beim Sport, der Anpassungsfähigkeit und auch bei Höhe oder schweren Krankheiten spielt der Sauerstoffsensor eine tragende Rolle. Welche Gebiete er noch alle beeinflusst oder betrifft muss noch weiter erforscht werden. Auch das Immunsystem, viele verschiedene Stoffwechselprozesse und auch weitere Mechanismen, wie Wundheilung zählen ebenfalls dazu. Auch spezielle Situationen, wie ein Infarkt, in dem eine akute Hypoxie stattfindet, und wie die Reaktion des Körpers und den Zellen dann ausfällt muss noch weiterhin erforscht werden. Die umfassenden, bereits getroffenen Erkenntnisse haben jedoch ein weites Feld eröffnet, das es nun weiter zu erforschen gilt. Fakt ist, dass immer dann, wenn der Sauerstoffsensor ausfällt, Zellen vergiften. Sie machen damit auch natürlich den Körper und Organismus krank und schwächen das gesamte Körpersystem. Die Ergebnisse, welche bislang erzielt wurden, und für die die drei Preisträger mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, legen den Grundstein, um auch in der Krebsforschung und in der Entwicklung wirksamer Krebsmedikamente einen weiteren Fokus setzen zu können. Auch in der wissenschaftlichen Auseinandersetzung, wie der Körper in jeder Zelle funktioniert, ist dies ein weiter Schritt, der gegangen wurde.

 

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