(Un)umkehrbar: Forscher beleben tote Schweinehirne teilweise wieder

Wissenschaftler haben die Aktivität einiger Hirnzellen in 32 Schweinehirnen wiederhergestellt, die bereits seit Stunden tot waren. Damit haben sie nicht nur einen großen Schritt in Richtung neuer Behandlungsmöglichkeiten für Hirnerkrankungen getan, sondern auch unsere Definition des Hirntods in seinen Grundfesten erschüttert. Die Forscher der School of Medicine an der Yale University haben ein System namens BrainEx gebaut, das ähnlich wie ein Dialysegerät funktioniert und das tote Gehirn wieder mit Sauerstoff versorgt.

Für das Experiment wurden allerdings keine Schweine getötet – die Forscher besorgten sich die Schweineköpfe von einer Großschlachterei. Technisch gesehen blieben die Gehirne auch tot. Das Experiment war bewusst so gestaltet, dass die behandelten Gehirne keinerlei Anzeichen jener organisierten elektrischen Aktivität zeigten, die für ein Bewusstsein nötig ist.

„Laut klinischer Definition ist das kein lebendes Gehirn“, sagt der Co-Autor der Studie, Nenad Sestan, ein Neurowissenschaftler an der School of Medicine der Yale University.

Stattdessen hielt das neue System die Gehirne in einem deutlich besseren Zustand als eine Kontrollgruppe, die der Verwesung überlassen wurde. Es stellte sogar für bis zu sechs Stunden am Stück die Funktion zur Aufnahme von Glukose und Sauerstoff wieder her. Den Forschern zufolge könnte die Technik bei künftigen Studien zur menschlichen Gesundheit eine äußerst praktische Umgebung für die Untersuchung von Hirnerkrankungen liefern.

„Wir freuen uns darauf, das als Plattform nutzen zu können, um besser zu verstehen, wie wir Menschen helfen können, die einen Herzinfarkt hatten und keinen normalen Blutfluss zum Gehirn mehr haben“, sagt Khara Ramos, die Direktorin des Neuroethikprogramms am U.S. National Institute of Neurological Disorders and Stroke. „Das wird unsere Fähigkeit verbessern, die Zellen in ihrem großen, dreidimensionalen, komplexen Verbund zu untersuchen.“

Dennoch wirft die neue Technologie auch ethische Fragen auf, was die Forscher begrüßen.

„Das ist ein außergewöhnlicher und sehr vielversprechender Durchbruch für die Neurowissenschaft. Er liefert direkt ein viel besseres Modell für die Untersuchung des menschlichen Gehirns, was von außerordentlicher Bedeutung ist, wenn man bedenkt, wie viel Leid Geistes- und Hirnkrankheiten verursachen“, sagt Nita Farahany. Die Bioehtikerin der Duke University School of Law hat für die Studie, die im Fachmagazin „Nature“ erschienen ist, einen begleitenden Kommentar verfasst.

„Er stellt aber auch eine Menge grundlegender Annahmen der Neurowissenschaft infrage, beispielsweise, dass ein Sauerstoffabfall im Gehirn unwiderruflich zum Tod eines Organismus führen wird“, fügt sie hinzu. „Wie sich herausstellt, stimmt das nicht – und gerade weil das nicht stimmt, werden infolgedessen ein paar ziemlich tiefgreifende legale und ethische Fragen aufgeworfen.“

Wie definiert man den Tod?

Der Tod ist das Ende. Aber die Zahl der tatsächlich unumkehrbaren medizinischen Diagnosen ist im Laufe der Zeit geschrumpft. Jahrtausendelang galten Menschen als Tod, wenn sie nicht mehr atmeten und ihr Herz nicht mehr schlug. Dann kam die moderne Medizin. Durch die Erfindung künstlicher Beatmungsgeräte können Körper nun länger am Leben gehalten werden. Jahrzehntelange Verbesserungen von Techniken für Herz-OPs und -transplantationen haben dafür gesorgt, dass selbst ein Herzversagen nicht mehr zwingend den Tod bedeuten muss.

Das Gehirn ist und bleibt ein schwieriger Patient. Säugetierhirne wie das unsrige sind Hochleistungsmaschinen. Sie benötigen eine konstante Zufuhr mit sauerstoffreichem Blut, um richtig zu funktionieren. Wenn die Blutzufuhr abgeschnitten wird, verlieren wir schon nach ein paar Sekunden das Bewusstsein. Binnen fünf Minuten erschöpft das Gehirn seine Vorräte an lebenswichtigen Molekülen wie Glukose und ATP – gewissermaßen die Universalwährung des Körpers zur chemischen Energiegewinnung.

Ein tödlicher Kreislauf beginnt, der bis vor Kurzem als unumkehrbar galt: Das empfindliche chemische Gleichgewicht der Nervenzellen gerät aus den Fugen, die CO₂-Anreicherung lässt das Blut übersäuern und der austretende Neurotransmitter Glutaminsäure wird zur toxischen Belastung. Bald darauf beginnen Enzyme damit, das Nervengewebe zu zersetzen. Die kleineren Hirnstrukturen und Blutgefäße platzen auf.

Je besser Wissenschaftler diesen Prozess verstanden, desto stärker ließen sie ihn in ihre Definition des Todes mit einfließen. 1968 verfasste ein Ärztekomitee, das von der Harvard University zusammengestellt wurde, eine historische Definition für ein „unumkehrbares Koma“ – oder „Hirntod“, wie wir heute dazu sagen: Sie umfasst einen völligen Mangel an Reaktionsfähigkeit, die Unfähigkeit zum eigenständigen Atmen sowie das Fehlen von Reflexen und Anzeichen für großflächige elektrische Hirnaktivität. Die American Academy of Neurology pflegt eine Prüfliste, an der sich Ärzte orientieren können, um bei Patienten den Hirntod festzustellen.

Allerdings gibt es Hinweise auf eine unerwartet große Resilienz des Gehirns. Einige Teile der Hirnzellen – zum Beispiel die Mitochondrien, die Energie herstellen – funktionieren noch bis zu zehn Stunden nach dem Tod. Forscher konnten bei Experimenten an Katzen und Makaken noch eine ganze Stunde nach deren Tod eine vollständige Genesung des Gehirns einleiten, indem sie die Blutzirkulation behutsam wiederherstellten. Auch einige Fallstudien an Menschen deuten darauf hin, dass sich unser Gehirn wieder erholen kann. Im Jahr 2007 berichteten Forscher, dass eine Frau, die an akuter Hypothermie litt – mit einer Körpertemperatur von weniger als 18 °C –, sich neurologisch wieder vollständig erholte.

Aktiv, aber nicht bei Bewusstsein

Unter der Leitung von Zvonimir Vrselja und Stefano Daniele beschlossen Sestan und seine Kollegen, die Regenrationsfähigkeit eines komplexen Säugetiergehirns zu testen. Dafür entwickelten sie das BrainEx-System.

Es besteht aus computergesteuerten Pumpen und Filtern, die eine Nährlösung durch das tote, chirurgisch freigelegte Gehirn leiten. Dabei imitieren die Pumpen die natürliche Blutzirkulation mit ihrem Anschwellen und Absinken. Die Nährlösung basiert auf dem Protein Hämoglobin, das in den roten Blutkörperchen für den Sauerstofftransport zuständig ist. Zudem wurde die Lösung so präpariert, dass sie auf Ultraschallscans sichtbar ist, damit die Forscher ihren Weg durch das Gehirn nachverfolgen können. Die Yale University hat ein Patent im Namen der Entwickler auf das System angemeldet, aber alle Bestandteile von BrainEx werden für die gemeinnützige Nutzung und die akademische Forschung kostenlos zur Verfügung stehen.

Das Team hatte Maßnahmen ergriffen um sicherzustellen, dass die Gehirne während des Experiments nicht „aufwachen“ oder sich der Prozedur gar bewusst werden. Obwohl keines der Schweinehirne während des Vorgangs irgendein Anzeichen von Bewusstsein zeigte, standen Forscher bereit, um im Zweifelsfall ein Anästhetikum zu verabreichen oder die Temperatur des Gehirns abzusenken. Darüber hinaus hatte das Team der Lösung Stoffe zugesetzt, die neurale Aktivität blockieren sollten. Das diente letztendlich auch dazu, die Zellen in einer Art Ruhezustand zu halten, damit sie sich besser erholen konnten.

„Tatsächlich war es nie das Ziel dieser Forschung – sogar eher explizit das Gegenteil unseres Ziels –, ein Bewusstsein wiederherzustellen“, erklärt der Co-Autor Stephen Latham, der Leiter des Interdisziplinären Zentrums für Bioethik an der Yale University.

Zunächst überprüfte das Team, ob BrainEx die Durchblutung des Gehirns wiederherstellen konnte, selbst in den kleinsten Blutgefäßen. Das Ergebnis fiel positiv aus. Die Forscher bestätigten auch, dass die Blutgefäße des Gehirns gut genug erhalten waren, um sich unter Einfluss von Medikamenten zu weiten. Als nächstes untersuchten die Wissenschaftler, wie gut BrainEx die generelle Gewebestruktur des Gehirns erhalten konnte. Größtenteils waren mit BrainEx behandelte Gehirne mit den Hirnen lebender Tiere oder unbehandelten Hirnen eine Stunde nach dem Tod vergleichbar. Außerdem waren sie deutlich besser erhalten als unbehandelte Hirne, die zehn Stunden nach dem Tod untersucht wurden.

Sehenswert: Spinatblatt wird zu menschlichem Gewebe

Auch solche Hirnareale, die besonders empfindlich auf Sauerstoffverlust reagieren – wie der Hippocampus –, ließen sich dank BrainEx gut erhalten, ebenso wie die Strukturen einzelner Neuronen.  Als sie die chemischen Unterschiede zwischen der ins Hirn hinein- und der wieder hinausfließenden Lösung untersuchten, stellten die Forscher fest, dass das Gehirn CO₂ produzierte und Glukose und Sauerstoff verbrauchte – Anzeichen dafür, dass der Hirnstoffwechsel wieder in Gang kam.

Obwohl die Forscher sicherstellten, dass es in den Gehirnen nicht zu großflächiger Aktivität kam, entnahmen sie kleine Gewebeproben, um zu testen, ob die Neuronen des Hippocampus nach der Behandlung noch Erregungspotenziale übertragen können. Das konnten sie tatsächlich.

„[Dieses Ergebnis] hat mich als Neurowissenschaftler am meisten überrascht“, sagt Christof Koch, der Leiter des Allen-Instituts für Hirnforschung, der an der Studie nicht beteiligt war. „Sie konnten immer noch solche Ausschläge erzeugen, die als universeller Ausdruck schneller elektrischer Signalübertragung gelten. Das bedeutet im Prinzip, dass diese Neuronen noch zu neuronaler Aktivität fähig scheinen.“

Tierversuche und Ethik

Das BrainEx-Team ist sich der ethischen Aspekte seiner Arbeit nur allzu bewusst und hat deshalb jahrelang führende Neurowissenschaftler und Ethiker konsultiert. Die Neuroethics Working Group, die von der BRAIN Initiative der U.S. National Institutes of Health zusammengestellt wurde, welche auch die Forschungen finanzierte, beriet Sestan schon seit 2016. Die Wissenschaftler stellten ihre Forschung zudem 2017 auf einer Bioethik-Konferenz der Duke University und auf einem NIH-Workshop im Jahr 2018 vor.

„Topaktuelle Wissenschaft braucht topaktuelle Ethik“, sagt Ramos, die auch als Chefsekretärin der Neuroethics Working Group fungiert. „Es gibt bereits ein solides Grundgerüst an Gesetzen und Richtlinien und wir erwarten, dass sich die von uns finanzierten Forscher daran halten. Aber die Entwicklung und Anwendung neuer Neurotechnologien kann es nötig machen, dass wir diese ethischen Standards überdenken und weiterentwickeln.“

Die BrainEx-Technologie wirft beispielsweise Fragen über die ethische Nutzung nicht menschlicher Tiere für Experimente auf. Derzeit gelten zwei Regelwerke – eines für Gewebe von toten Tieren und eines für lebende Tiere, die Schmerzen und Stress empfinden können. Aber welches der beiden Regelwerke würde für die mit BrainEx behandelten Gehirne toter Tiere gelten, insbesondere, wenn die Möglichkeit besteht, dass sie teilweile wiederbelebt werden können?

„Da klafft gewissermaßen eine Lücke in unserem Schutz tierischer Forschungssubjekte, weil wir jetzt diese Kategorie von partiell wiederbelebtem, ein bisschen lebendigem [Gewebe] haben, welches das – bislang noch nicht umfassend erforschte – Potenzial einer funktionalen Wiederherstellung birgt“, erklärt Farahany, ebenfalls ein Mitglied der Neuroethics Working Group. „Wenn man die Gehirne von Schweinen oder andere Tieren wiederbeleben möchte, heißt das dann, dass daraus ein [lebendes] tierischen Forschungssubjekt wird und nicht bloß totes Gewebe?“

Die Experten verweisen darauf, dass diese ethischen Fragen bei diesem Thema auch darauf abzielen, dass BrainEx die Erforschung menschlicher Krankheiten vorantreiben oder sogar Menschen vor dem Tod retten könnte.

„Wir können andere Lebewesen nicht einfach so aus Neugier Schmerzen und Qualen bereiten, wenn wir nicht einen wirklich guten Grund und die passenden Experimente dafür haben“, sagt Koch. „Kann das genutzt werden, um damit Gehirne zu retten? Und nicht einfach: Hey, lasst uns mal sehen, was passiert.“

Laut den Experten folgt auf die ethischen Fragen rund um BrainEx auch direkt die nächste logische Frage: Würde das auch bei Menschen funktionieren? Koch zufolge wäre das auf rein technischer Ebene kein allzu großer Unterschied, da Menschen und Schweine beide recht große, komplex gefaltete Gehirne besitzen. Aber Koch und andere Experten, die von National Geographic kontaktiert wurden, warnten davor, schon zu Versuchen am Menschen überzugehen.

In noch fernerer Zukunft liegen andere mögliche Bedenken, beispielsweise, dass BrainEx die Organspende verkomplizieren könnte, indem es die Grenze zwischen Leben und Hirntod noch weiter verwischt, schrieben die Bioethiker Stuart Youngner und Insoo Hyun von der Case Western University in einem begleitenden Kommentar in „Nature“. Aber Kevin Cmunt, der Geschäftsführer des größten Organspendenetzwerks der USA, Gift of Hope, sieht in BrainEx keinen großen Störfaktor. Ihm zufolge erlitten Organspender, die für hirntot erklärt wurden, in vielen Fällen ein beträchtliches physisches Trauma oder einen deutlich langwierigen Sauerstoffmangel als die Gehirne in der Studie.

„Ich denke, dass dieser Eingriff bei den allermeisten Fällen von hirntoten Spendern nicht von Belang wäre“, sagt er. „Es mag eine kleine Anzahl von Fällen geben, bei denen [BrainEx] sich auf die Möglichkeit zur Organspende auswirken könnte, aber ich denke, dass diese Zahl relativ klein wäre.“

Und falls BrainEx eines Tages in Kliniken eingesetzt wird, würde das System einfach zu jenen Möglichkeiten gehören, die man ausschöpft, bevor man Patienten für hirntot erklärt oder die Lebenserhaltungsmaßnahmen einstellt, fügt er hinzu. Tatsächlich könnte die Möglichkeit einer Wiederherstellung der Hirnfunktionen den Organspenden sogar zuträglich sein, da Ärzte so noch mehr Grund hätten, die Blutzufuhr aufrechtzuerhalten. Selbst wenn der Patient nach dieser BrainEx-Behandlung dann für hirntot erklärt wird, könnten seine Organe dadurch besser erhalten und damit eher für eine Spende geeignet sein.

„Ich sehe da nicht zwingend einen Konflikt“, so Cmunt. „Diese Behandlungen wären sicher einfach ein Teil der ärztlichen Pflege, genau wie Behandlungsprotokolle für Hypothermiefälle und andere Dinge, die wir tun, um Schäden an Organen und Gehirnen zu verhindern.“

Der Anfang ist gemacht

Grundlegend zeigen die Diskussionen rund um BrainEx vor allem, wie Wissenszuwachs und verbesserte Behandlungsmöglichkeiten die Definition des Todes verändern.

„Stellen Sie sich vor, Sie wären in einem Krankenhaus, Ihr Vater wurde für hirntot erklärt und Sie hätten gerade diese Studie gelesen. Sie fragen den Arzt: Was bedeutet hirntot denn überhaupt? Er sagt, es sei der unumkehrbare Verlust von Gehirnfunktionen, und Sie erwidern: Moment mal, es gibt doch da diese Studie – heißt das nicht, dass das, was wir heute als ‚irreversibel‘ betrachten, morgen schon nicht mehr irreversibel wäre?“, führt Koch als Beispiel an.

BrainEx’ Position an der Grenze zwischen Leben und Tod erinnert auch an diverse Science-Fiction-Szenarien. In zahlreichen Medienberichten wurde direkt der Vergleich zu Mary Shellys „Frankenstein“ angestrebt. Aber Farahany sagt, dass eine solche Leistung noch in weiter Ferne liegen könnte.

„Es hat definitiv ein tolles Science-Fiction-Element und stellt Zellfunktionen dort wieder her, wo wir es zuvor für unmöglich gehalten haben. Aber für ‚Frankenstein‘ bräuchte man einen gewissen Grad an Bewusstsein“, sagt sie. „[Die Forscher] haben im Rahmen ihrer Studie aber keinerlei Bewusstsein wiederhergestellt und es ist noch immer nicht klar, ob wir das je können werden. Aber wir sind dieser Möglichkeit einen Schritt nähergekommen.“

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.