Glutaminsyrepumpen regulerer hjernens aktivitet

Glutaminsyre er det hyppigst forekommende stimulerende signalstof i hjernen. Stoffets exciterende effekt bringes til ophør ved, at glutaminsyre fjernes fra vævsvæsken af proteiner i cellemembranen, såkaldte transportører. Ved hjælp af mikrodialyseteknikken har vi bestemt kapaciteten og følsomheden af en af disse transportører.

Nervecellerne i hjernen kommunikerer med hinanden ved hjælp af synapser. En synapse er et kontaktpunkt mellem to nerveceller, hvor de udveksler informationer med hinanden. Synapsen består af specialiserede områder af cellemembranen, som sidder i udløbere på de to kommunikerende nerveceller. Udløberne er kun adskilt fra hinanden af et ganske snævert rum, den synaptiske kløft.

Udvekslingen af signaler foregår ved, at signalstoffer frigøres fra nerveenden, krydser over synapsekløften og påvirker receptorer, som sidder i cellemembranen på den modtagende nervecelle. Herefter skal signaleringen standses. Det sker ved, at signalstoffet spaltes enzymatisk eller genoptages - enten af den nervecelle, der frigjorde det, eller af en anden celletype, astrocytten, hvis udløbere omgiver synapsen. Signaleringen kan endvidere stoppes ved, at receptorens følsomhed for signalmolekylet falder.

Signalstoffer kan enten stimulere eller hæmme en modtagende nervecelle, og der er normalt en fin balance mellem stimulation og hæmning i hjernen - ellers løber signalprocesserne løbsk som ved et epileptisk anfald, eller den går mere eller mindre i stå som hos personer i coma, svær alkoholforgiftning, morfinforgiftning osv.

Blandt de stimulerende signalstoffer er glutaminsyre det mest udbredte, og stoffet anvendes næsten overalt i hjernen. Glutaminsyres aktivering af nervecellerne kan standses på to af de nævnte måder. Enten nedsættes receptorens følsomhed for signalstoffet, eller glutaminsyre genoptages i astrocytterne. Afhængig af hvilken hjerneregion, der er tale om, dominerer den ene eller den anden proces i afslutningen på stimulationen.

Vi har undersøgt hjernedelen hippocampus i rotter. Her synes fjernelse af glutaminsyre fra synapsekløften at afslutte signaleringen.

Der kendes nu mindst fire forskellige transportører, som fjerner glutaminsyre fra synapsekløften. Transportørerne findes både på nerveceller og på astrocytter.

Deres evne til at optage glutaminsyre kan dels undersøges på dyrkede celler, dels på forsøgsdyrs intakte hjerner eller på isoleret hjernevæv. Man vil foretrække dyrkede celler, når de enkelte transportørers basale egenskaber skal undersøges, men når transportørernes funktion skal undersøges i sygdomsmodeller, er det en stor fordel at kunne tage forsøgsdyr til hjælp.

Koncentrationen af glutaminsyre i cellevæsken kan måles på levende dyr med den såkaldte mikrodialyseteknik, hvor en tynd fiber placeres i den hjerneregion, man ønsker at undersøge. Fiberen er en dobbeltløbet kanyle, hvis yderste spids består af en membran, der er gennemtrængelig for mindre molekyler.

Inde i kanylen er der to tynde rør, et indløbsrør og et udløbsrør, således at kanylespidsen med den gennemtrængelige membran kan gennemskylles langsomt. Herved opstår der en stofudveksling mellem hjernevæsken og væsken inde i kanylen på den anden side af membranen. Den væske, der opsamles fra mikrodialysefiberens udløbsrør, afspejler derfor hjernevæskens sammensætning og kan analyseres for sit indhold af mindre molekyler.

Med denne metode har vi undersøgt koncentrationen af glutaminsyre i hippocampus på rotter. Regionen er interessant, idet der ved epilepsi og efter kortvarig standsning af hjernens blodtilførsel, hjerneiskæmi, hyppigt forekommer nervecelledød her, som ser ud til at skyldes overstimulering med glutaminsyre.

Ved hjerneiskæmi viste vores undersøgelser en stor stigning i glutaminsyrekoncentrationen. Derimod fandt vi i en epilepsimodel ingen ændring af glutaminsyreniveauet, hvilket var ejendommeligt, fordi den øgede aktivitet burde resultere i en øget frigørelse af glutaminsyre. Hvis man imidlertid tænker sig, at der også sker en øget genoptagelse af glutaminsyre i nerveender og astrocytter, så må det konkluderes, at mikrodialysemetoden i dens simple udformning ikke kan måle strømmen af glutaminsyre - hvor meget vand, der løber gennem åen - men kun niveauet, svarende til vandstanden.

Fiberens membran kan også bruges til at sende stoffer ind i vævsvæsken, herunder radioaktive sporstoffer. Vi begyndte undersøgelser med et sådant sporstof, tritium-mærket Dasparaginsyre. Molekylet har omtrent samme størrelse som glutaminsyre og transporteres ligesom signalstoffet rundt i vævsvæsken uden at blive nedbrudt i cellernes stofskifte.

Ideen var at tilsætte sporstoffet til dialysefiberens indløbsvæske og så registrere i udløbsvæsken, hvor meget af sporstoffet, der var forsvundet - og på den måde måle strømmen i åen. Den mængde, som forsvinder, afhænger af to forhold, rumfanget af vævsvæsken, der omgiver mikrodialysefiberen, og optagelsen af sporstoffet i cellerne.

For at kunne beregne den mængde af sporstof, som kommer ud i vævsvæsken, er det nødvendigt at bruge et markørstof. Markørstoffet optages ikke af cellerne, og derfor svarer mængden i udløbsrøret til den mængde, der strømmer ind i vævsvæsken. Situationen er anderledes for det glutaminsyrelignende sporstof, som genoptages, når signalprocessen standses. Ved at måle mængderne af både markørstoffet og sporstoffet i udløbsrøret kan man således beregne, hvor meget glutaminsyre, der genoptages i cellerne efter endt arbejde.

Som markør anvendte vi mannitol. Markøren blev nu mærket med kulstof-14, hvorved vi kunne skelne mellem markøren og det tritiummærkede sporstof. Herefter kunne vi beregne den mængde sporstof, der blev optaget i rottens nerveceller.

Forsøgene strakte sig over en time, hvor hjernecellerne omkring vores mikrodialysefiber blev udsat for forskellige koncentrationer af sporstoffet, hvor den højeste var tusind gange større end den mindste. På den baggrund kunne vi bestemme genoptagelsen af sporstoffet ved forskellige koncentrationer.

Som tidligere nævnt findes der flere forskellige transportører for glutaminsyre, og den målte genoptagelse kunne derfor repræsentere summen af deres optagelse af sporstoffet. Imidlertid ville det være værdifuldt, hvis man kunne bestemme følsomheden og kapaciteten af de enkelte glutaminsyretransportører. For nylig har det vist sig, at man selektivt kan blokere funktionen af en af disse transportører, som sidder på astrocytter, med stoffet dihydrokainsyre.

Ud fra vore eksperimenter kan vi konkludere, at det er lykkedes at videreudvikle mikrodialyseteknikken, således at transportørfunktionen kan bestemmes. Metoden er nu klar til brug til undersøgelser af sygdomstilstande i hjernen.