Biologie des Sterbens: Ein letztes Leuchten

4. April 2018

Was sich kurz nach dem Tod im Gehirn abspielt, ist im Detail noch ungeklärt. Neurologen gelang es erstmals, die einsetzende „Todeswelle“ im Gehirn eines Menschen nachzuweisen. Die sogenannte Spreading Depolarization könnte neue Ansätze für Schlaganfall-Therapien liefern.

Das menschliche Hirn reagiert sehr empfindlich auf Sauerstoffmangel. In der Regel kommt es innerhalb von etwa zehn Minuten zu umfangreichen unwiderruflichen Schäden, wenn der Blutkreislauf bei einem Herzstillstand vollständig zum Erliegen kommt. Professor Dr. Jens P. Dreier von der Charité in Berlin und sein Team haben die dabei ablaufenden Prozesse jetzt erstmals am Menschen untersucht.

Die Prozesse, die bei Sauerstoffentzug zu Schädigungen des Hirns führen, werden bei Tieren seit Jahrzehnten untersucht. Innerhalb von 20 bis 40 Sekunden stellt das Hirn in einer Art Energiesparmodus seine elektrische Aktivität ein, die Kommunikation der Nervenzellen stoppt vollständig. Minuten später, wenn die Energiereserven aufgebraucht sind, bricht das energiebedürftige Ionen- und Spannungsgefälle zwischen dem Inneren der Nervenzellen und ihrer Umgebung zusammen. Dies passiert in Form einer massiven elektrochemischen Entladungswelle, die als Spreading Depolarization oder auch bildhaft als Tsunami bezeichnet wird.

Diese Welle zieht durch die Hirnrinde und andere Hirnstrukturen und stößt dabei Schadenskaskaden an, die die Nervenzellen allmählich vergiften. Wichtig ist, dass die Welle bis zu einem bestimmten Zeitpunkt reversibel ist. Das heißt, die Nervenzellen erholen sich vollständig, wenn die Durchblutung rechtzeitig wieder einsetzt. Überdauert die Durchblutungsstörung diesen Zeitpunkt jedoch, sterben die Zellen ab. Beim Menschen gab es bislang nur bedingt aussagekräftige Messungen der elektrischen Hirnaktivität und sehr widersprüchliche Auffassungen in Hinblick auf die Übertragbarkeit der Tierversuchsergebnisse.

Zellen entladen sich

Bei Tieren ist das Phänomen schon länger bekannt. Es kann künstlich durch die Gabe von Kaliumchlorid ausgelöst werden. Dabei bricht das Spannungsgefälle zwischen dem Inneren von Nervenzellen und ihrer Umgebung zusammen. Diese Depolarisation geschieht nicht überall gleichzeitig, sondern breitet sich ausgehend von einem Punkt im Gehirn wellenförmig aus. Forscher sprechen von einer elektrische Entladungswelle (Spreading Depolarization). Heute gilt eine Freisetzung von Kaliumionen in den Extrazellularraum als wahrscheinliche Erklärung. Auch eine Fehlfunktion von Ionenkanälen wird diskutiert.

 

 

Ob diese Mechanismen auch für Menschen gelten, war bislang unklar. Dreier machte sich bei seiner Forschung zu Nutzen, dass invasive Neuromonitoring-Verfahren mittlerweile auf Intensivstationen eingesetzt werden, um Patienten zu überwachen. Bei einer Elektrokortikographie (ECoG) wird zuerst der Schädel geöffnet. Nach dieser Kraniotomie platziert der Operateur Elektroden direkt auf der Oberfläche des Gehirns. Im Unterschied zum normalen EEG gelingt es mit der ECoG, Entladungswellen beim Sterben zu erfassen.

 

Elektrokortikographie

Elektrodengitter für die Elektrokortikographie © BruceBlaus / Wikipedia, CC BY 3.0

 

Wenige Minuten nach einem Kreislaufstillstand trat das Phänomen bei den Patienten auf. „Wir konnten nachweisen, dass die terminale Spreading Depolarization bei Mensch und Tier vergleichbar ist“, kommentiert Dreier. „Leider ist die Erforschung dieses Elementarprozesses der Schadenentstehung im zentralen Nervensystem jahrzehntelang vernachlässigt worden, weil fälschlicherweise angenommen wurde, dass er beim Menschen nicht auftritt.“ Weitere Forschung ist hier notwendig, um zu verstehen, wie sich reversible Prozesse (Flimmersymptome einer Migräne mit Aura) und irrversible Vorgänge (Zelltod beim Schlaganfall) unterscheiden. Sie werden mit Entladungswellen in Verbindung gebracht.

Die neue Arbeit könnte Therapien revolutionieren. Bislang versuchen Ärzte bei Schlaganfällen oder Herzinfarkten in erster Linie, den Blutkreislauf wiederherzustellen. Ergänzende Behandlungsstrategien könnten die Entladungen im Gehirn zum Ziel haben.

Der Zerfall schreitet voran

Stirbt ein Individuum, gehen nach dem Gehirn die Zellen folgender Organe zu Grunde: Herz (15 bis 30 Minuten), Leber (30 bis 35 Minuten), Lunge (maximal 60 Minuten) und Nieren (maximal 120 Minuten). Hautzellen leben nach dem medizinischen Tod des Individuums maximal zwei Tage weiter. Bis zu diesem Zeitpunkt wachsen die Haare und Nägel weiter. Leichenflecken entstehen, weil das Blut durch die Schwerkraft absinkt. Ab dem zweiten Todestag setzen Fäulnisprozesse ein. Unterschiedliche Muskeln beginnen sukzessive zu erstarren. Nach sechs bis acht Stunden ist die Leichenstarre bei Zimmertemperatur voll ausgeprägt. Biochemiker erklären das Phänomen wie folgt: Versagt unser Stoffwechsel, wird auch kein Adenosintriphosphat (ATP) mehr nachgebildet. Das Molekül ist jedoch erforderlich, um Myosin und Aktin als Muskelproteine voneinander zu trennen. Durch Zersetzungsvorgänge der Muskelzellen löst sich die Totenstarre nach 24 bis 48 Stunden wieder.

Gene arbeiten weiter

Tritt der Tod eines Lebewesens ein, heißt das also nicht, dass alle Prozesse in Zellen schlagartig zum Erliegen kommen. Pedro G. Ferreira von der Universidade do Porto, Portugal, wollte wissen, wie sich die Genexpression bei Menschen ab diesem Zeitpunkt verändert. Zu verschiedenen Zeitpunkten untersuchte er das Transkriptom, also die Gesamtheit aller Gene, die am Untersuchungszeitpunkt als RNA vorliegen. Nur aus biologisch aktiven Genen wird anhand der DNA-Vorlage RNA gebildet. Bereits in 2016 hat Alex E. Pozhitkov von der University of Washington gezeigt, dass Gene bei Tieren je nach Art noch 48 bis 96 Stunden nach dem Tod aktiv sind.

Basis von Ferreiras Arbeit waren Post-Mortem-Gewebeproben von 540 Toten. Er untersuchte dabei 36 unterschiedliche Gewebe. Zwischen dem Todeszeitpunkt und der Aufarbeitung im Labor lagen 17 bis 1.739 Minuten. Tatsächlich änderte sich die Genexpression im zeitlichen Verlauf signifikant, vor allem zwischen der Stunde 7 und 14. „Diese Ereignisse sind keine zufälligen Effekte des Abbaus von mRNAs“, fasst der Erstautor zusammen. „Vielmehr spiegeln sie eine aktive und fortlaufende Regulation der Transkription wider.“

Das brachte Ferreira auf die Idee, sein Thema aus der Grundlagenforschung in die Anwendung zu bringen. Anhand von 129 Sterbefällen zeigte der Forscher, dass sich Expressionsprofile generell eignen, um den Todeszeitpunkt zu bestimmen. Wie genau seine Angaben sind, muss eine größere Studie zeigen. Traditionell arbeiten Ärzte mit der Körpertemperatur und mit weiteren Anzeichen wie der Totenstarre. Ferreira ging es vielmehr darum, Alternativen aufzuzeigen. In seiner Arbeit hat er jedoch nicht untersucht, welchen Effekt veränderliche Umgebungstemperaturen, Grunderkrankungen, das Alter oder das Geschlecht haben.

Toter Körper, lebendiges Mikrobiom

Während sich Ferreiras Verfahren nach weiterer Evaluation vielleicht für kurze Zeiträume eignet, verfolgt Hunter R. Johnson einen längerfristigen Ansatz. Seine Gruppe an der City University of New York hat sich auf Mikrobiome spezialisiert. Über mehrere Wochen hinweg untersuchte Johnson Proben aus den Ohr- und Nasenkanälen von 21 Leichen. Sie waren zu Beginn vom typischen Mikrobiom kolonisiert. Manche Bakterien verschwanden im Laufe der Zeit, während andere neu auftauchten.

Alle Körper befanden sich im Freien, was Forensiker generell vor Probleme stellt. Das liegt an starken Schwankungen der Temperatur, der Feuchtigkeit und der Sonneneinstrahlung. Alle drei Parameter beeinflussen Verwesungsprozesse in schwer kalkulierbarem Maße und machen es schwer, den exakten Todeszeitpunkt oder die Liegezeit eines Körpers zu bestimmen.

Im nächsten Schritt sequenzierte Johnson das Metagenom, sprich die Gesamtheit aller bakteriellen Nukleinsäuren in einer Probe. Als Marker zur molekularbiologischen Bestimmung von Bakterien eignen sich bakterielle 16S-ribosomale RNAs (16S rRNA) mit charakteristische Sequenzen.

Der Datensatz war aber zu groß, um noch manuell auswertbar zu sein. Deshalb entwickelten Bioinformatiker maschinelles Lernverfahren (Machine Learning), um Muster zu entdecken. Durch ständiges Testen und Optimieren verfeinern sich Algorithmen quasi von selbst. Johnson näherte sich dem exakten Todeszeitraum in einem Zeitfenster von zwei Sommertagen. Die forensischen Entomologie ist auf den ersten Blick zwar genauer. Biologen bestimmen sowohl die Arten als auch die Zahl und den Entwicklungszustand verschiedener Insekten. Laut Jens Amendt vom Institut für Rechtsmedizin des Klinikums Frankfurt sei es möglich, nach einer genauen Bestandsaufnahme die Liegezeit „drei bis vier Wochen lang noch auf den Tag genau einzugrenzen“. Danach stößt die Methode an ihre Grenzen, weil alle beteiligten Insekten bereits einen Lebenszyklus durchlaufen haben. Aufgrund seiner Möglichkeiten spricht Johnson von einer „wesentliche Verbesserung“ gegenüber diesem Verfahren. Er verweist jedoch auf die relativ kleine Stichprobe in seiner Arbeit und fordert weitere Untersuchungen.

128 Wertungen (4.83 ø)

Die Kommentarfunktion ist nicht mehr aktiv.

9 Kommentare:

Vermutlich auch ein Erklärungsansatz für die sich ähnelnden Nahtoderfahrungen reanimierter Patienten. Im Hinblick auf Therapieoptionen sehr interessante Forschung. Aber ob ich “als Mensch” so genau wissen möchte, was mich zum Ende meines irdischen Daseins erwartet?

#9 |
  4
Krankenpflegehelferin

U. a. noch zum Thema Transplantation : Per Zufall ( vielleicht auch nicht ) las ich soeben den Artikel “” Die Wissenschaft der letzten Minuten : Was wirklich passiert, wenn wir sterben ” unter ” http://www.weltderwunder.de “. Und es kann erschaudern lassen

#8 |
  1
Medizinjournalist

Die damalige Festlegung der Null-Linie entsprang wohl primär einer ethisch-moralischen Wertestellung, die den med. Parameter “Null-Linie” erst ´mal akzeptieren konnte, aber “unter Vorbehalten” hielt, bis sich andere Parameter hervortun. Diese, noch philosophische, Ebene könnte Hrn. Michael van den Heuvel zu schaffen machen, wie anderen Statements des Autors schon zu entnehmen war, wenn es um “Unwisschaftlichkeit” ging. Aber er hat “neue Dimension” uns hier erst ´mal eröffnet.
Es handelt sich die den Vorbehalten um die gleichen, die mich veranlassten, einer Organspende nur unter der Bedingung “Vollnarkose” zuzustimmen. Denn Hirntod bedeutet nicht “mause”tot. Ich möchte nicht für tot gehalten und lebendig zerschnippelt werden. Mich hinterher zu beschweren, bliebe mir ja verwehrt. Aber heute hat mir Hrn. Michael van den Heuvel’s Artikel Tore eröffnet (während er sie früher eher zugeschlagen hat).

#7 |
  0

Wenn diese Wellen durchs Gehirn jagen, dann vermute ich, dass in diesen Zeiträumen sich die Bewußtseinslage ständig verändert. Das Ich- Bewußtsein, die Seele oder wie man es immer nennen mag, macht sich innerhalb oder außerhalb (?) dieses Prozesses auf die Reise. Energie kann nicht verloren gehen.
Ich fürchte der Zeitpunkt der Null- Linie, der Organentnahme, des Verfrachtens in die Kühlkammern korreliert nicht mit dem Zeitpunkt des kompletten Bewußtseinsverlustes.
Da besteht Forschungsbedarf.

#6 |
  7
Biologisch- / Chemisch- / Physikalisch-technischer Assistent

Auch wenn Neuronen schnell zu Grunde gehen finde ich Organentnahmen ohne Vollnarkosen ethisch nicht vertretbar, in der Schweiz ist es anders soviel ich weiß..

#5 |
  0
Krankenpflegehelferin

# 3 : Deshalb sollte man z. B. hinsichtlich des Zeitraumes bis zur Bestattung/Verbrennung ” aufpassen “, weil das ablösen der Seele ein – bei Jedem unterschiedlich langer – Prozeß ist und zudem die Schmerzleitung bis zur endültigen Ablösung bestehen bleiben soll.
Nur für Diejenigen, die die Existenz einer Seele kategorisch verneinen, ist es kein Thema, bis evtl. …..

#4 |
  20
Dr. Jochen Range
Dr. Jochen Range

Vielleicht finden wir auch irgendwann den Zeitpunkt, an dem die Seele den Körper verlässt. Das ist dann wirklich “ein letztes Leuchten”. Aber da wäre die Biologie des Sterbens sicher überfordert.

#3 |
  16
Dipl.-Phys. Jan Groh
Dipl.-Phys. Jan Groh

@Daniel Kaufmann:
Nein. Der Einfachheit halber verweise ich hier auf den hinreichend aktuellen einschlägigen Wikipedia-Artikel: https://de.wikipedia.org/wiki/Hirntod#Diagnostik_und_Verfahren. Beachten Sie jeweils die Dauer bzw. den Abstand bis zur Wiederholung der Untersuchung(en) und setzen Sie diese Zeitspannen zu den im Artikel genannten Zeiträumen bis zur irreversiblen Schädigung des Gehirngewebes in Beziehung. Die Hirntoddiagnostik wird durch den obigen Artikel nicht in Frage gestellt.

#2 |
  10
Daniel Kaufmann
Daniel Kaufmann

Dieser Artikel wirft neue ethische Fragen auf:
kann man den Zeitpunkt der Organentname für Transplantationen an der Null-Linie im EEG festmachen?

#1 |
  17


Copyright © 2018 DocCheck Medical Services GmbH
Sprache:
DocCheck folgen: