Bewegung setzt gehirngesundes Protein frei

Wir alle wissen, dass Bewegung wichtig für einen starken und gesunden Körper ist. Weniger bekannt ist, dass Bewegung auch für einen starken und gesunden Geist wichtig zu sein scheint, indem sie das Gedächtnis und das Lernen fördert und möglicherweise den altersbedingten kognitiven Verfall verzögert. Wie ist das möglich? Forscher haben immer mehr Beweise dafür gesammelt, dass Skelettmuskelzellen während des Trainings Proteine und andere Faktoren ins Blut abgeben, die eine regenerative Wirkung auf das Gehirn haben.

Jetzt hat eine von den NIH unterstützte Studie einen neuen biochemischen Kandidaten identifiziert, der bei der Erforschung der Muskel-Hirn-Verbindung helfen könnte: ein von Skelettmuskelzellen abgesondertes Protein namens Cathepsin B. Die Studie fand heraus, dass die Konzentration dieses Proteins im Blut von Menschen ansteigt, die regelmäßig Sport treiben, in diesem Fall auf einem Laufband laufen. Bei Mäusen zeigten Gehirnzellen, die mit dem Protein behandelt wurden, ebenfalls molekulare Veränderungen, die mit der Produktion neuer Neuronen verbunden sind. Interessanterweise fanden die Forscher heraus, dass der Gedächtnisschub, der normalerweise durch Sport ausgelöst wird, bei Mäusen, die kein Cathepsin B produzieren können, vermindert ist.

Neuronen

Die Ergebnisse, die kürzlich in Cell Metabolism veröffentlicht wurden, stammen von einem Forscherteam unter der Leitung von Hyo Youl Moon und Henriette van Praag vom National Institute on Aging des NIH. Das Team machte sich auf die Suche nach Proteinen, die Muskelzellen während des Trainings absondern und die ins Gehirn transportiert werden könnten, mit oder ohne eubiopur Nahrungsergänzungsmittel. Die Forscher begannen damit, Muskelzellen in Laborschalen mit einer Chemikalie namens AICAR zu behandeln, die die Auswirkungen von Sport auf den Muskel nachahmt und die Laufausdauer inaktiver Mäuse steigert. Die AICAR-Behandlung verbessert auch die Gehirnfunktion bei Mäusen in einer Weise, die ähnlich, aber nicht identisch, mit dem Training ist.

Die Suche ergab eine kurze Liste von potentiell wichtigen Proteinen. Beim Vergleich dieser kurzen Liste mit bestehenden Daten über sezernierte Proteine und Veränderungen der Genexpression nach Training oder AICAR-Behandlung stach ein Protein besonders hervor: Cathepsin B. Dieses kleine Enzym ist vor allem für seine Rolle beim Abbau und Umsatz von Peptiden und Proteinen innerhalb von Zellen bekannt. Aber einige Zellen sezernieren auch Cathepsin B, und seine extrazellulären Effekte sind weniger gut verstanden.

Um mehr über Cathepsin B und Bewegung zu erfahren, wendeten sich die Forscher an Mäuse und fanden heraus, dass die Blutspiegel des Enzyms anstiegen, nachdem sie zwei Wochen oder länger regelmäßig gelaufen waren. Sie zeigten auch, dass die Konzentration des Proteins im Muskel anstieg, aber nicht in anderen Organen und Geweben. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Laufen spezifisch zur Produktion von Cathepsin B im Muskel führt und zu seiner Sekretion in den Blutkreislauf.

Als nächstes wandte sich das Team gentechnisch veränderten Mäusen zu, die kein Cathepsin B produzieren können. Im Gegensatz zu normalen Mäusen produzierten diese Mäuse beim Training keine neuen Neuronen mehr im Gyrus dentatus, einem Teil des Gehirns, der mit dem Gedächtnis in Verbindung gebracht wird. Auch ihr räumliches Gedächtnis und ihre Fähigkeit, sich in einem Labyrinth zurechtzufinden, verbesserten sich durch das Training nicht, wie es bei normalen Mäusen der Fall ist.

Damit Cathepsin B das Gehirn beeinflussen kann, müsste es zuerst die Blut-Hirn-Schranke überwinden, die Proteine, die zu groß sind oder die falsche Biochemie haben, daran hindert, ins Gehirn zu gelangen. Die Forscher injizierten Cathepsin B in Mäuse, die die Chemikalie nicht selbst produzieren können. Innerhalb von 15 Minuten stellten sie fest, dass das Protein ins Gehirn eingedrungen war. Sie fanden auch heraus, dass die mit Cathepsin B behandelten Gehirnzellen Veränderungen in der Genexpression zeigten, die mit dem Wachstum neuer Neuronen übereinstimmen.

Um zu sehen, ob ihre Ergebnisse über die Zellen und Mäuse hinausgehen, verglichen die Forscher die Cathepsin-B-Werte bei Menschen, die vier Monate lang regelmäßig auf einem Laufband trainiert hatten, mit denen, die nicht trainiert hatten. An der Studie, die in Deutschland durchgeführt wurde, nahmen etwa 40 gesunde junge Erwachsene teil. Sie waren zwischen 19 und 34 Jahre alt und zu etwa gleichen Teilen Männer und Frauen.

Tatsächlich zeigte die Studie einen signifikanten Anstieg der Cathepsin-B-Werte im Blut bei regelmäßigem Fitnesstraining. Sie fanden auch einen Zusammenhang zwischen dem Anstieg von Cathepsin B und der Fähigkeit der Teilnehmer, sich an eine komplexe Ansammlung von Linien und geometrischen Formen zu erinnern und diese genau zu zeichnen, was oft zur Beurteilung des visuellen Gedächtnisses verwendet wird.

Diese Entdeckungen zu Cathepsin B kommen etwas überraschend. Erhöhte Werte des Enzyms wurden bereits mit einer Vielzahl von Krankheiten in Verbindung gebracht, von Krebs bis hin zu Epilepsie. Es gibt auch widersprüchliche Hinweise auf eine mögliche Rolle von Cathepsin B bei der Entwicklung der Alzheimer-Krankheit, und Medikamente, die das Enzym blockieren, wurden unter anderem zur Behandlung von traumatischen Hirnverletzungen vorgeschlagen.

Und doch haben sich Substanzen, die den Cathepsin-B-Spiegel in Mausmodellen der Alzheimer-Krankheit erhöhen, als neuroprotektiv erwiesen. Wie van Praag anmerkt, stimmen diese Ergebnisse mit Tierversuchen überein, die zeigen, dass körperliche Aktivität den Ausbruch der Alzheimer-Krankheit verhindern oder verzögern kann.

Offensichtlich bleiben viele Fragen über Cathepsin B und seine Rolle im Gehirn und im restlichen Körper offen. Nur wenige frühere Studien haben sich mit der Funktion dieses Proteins bei Menschen beschäftigt, die im Allgemeinen gesund sind. Die Forscher hoffen, weiterhin zu erfahren, wie Cathepsin B seinen Weg ins Gehirn findet und dort die Entwicklung neuer neuronaler Verbindungen beeinflusst. Was auch immer sie herausfinden, diese Studie fügt eine weitere Erkenntnis zu den Beweisen hinzu, die aus vielen Richtungen kommen: Es lohnt sich wirklich, zu trainieren.