Aufklärung der neurophysiologischen Mechanismen, die für OWA-induzierte Verhaltensänderungen bei Polarfischen verantwortlich sind: ein NMR-Ansatz

• Antragstellerin: Dr. Felizitas Charlotte Wermter
• Fachliche Zuordnung: Physik, Chemie und Biologie des Meeres
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424185788

Die dramatischsten Auswirkungen des Klimawandels werden für die Polarregionen erwartet, sodass polare Organismen durch die Temperatur- und CO2-Änderungen besonders beeinflusst werden. Im Gegensatz zu den meisten marinen Wirbellosen haben Fische die Fähigkeit zur effektiven Säure-Basen-Regulation. Trotzdem konnten für verschiedene Arten neurologische Störungen unter erhöhten CO2-Konzentrationen nachgewiesen werden. Die den CO2-induzierten Verhaltensänderungen zugrundeliegenden Mechanismen sowie die Frage, inwieweit auch antarktische Fischarten betroffen sind, konnten jedoch noch nicht geklärt werden.In ersten Studien wurden als mögliche Ursache sowohl eine Änderung in der Reaktion des GABAA-Rezeptors als auch im GABA-Metabolismus postuliert. Des Weiteren konnte im Gehirn einer antarktischen Fischart ein Absinken des intrazellulären pH-Wertes (pHi) unter Hyperkapnie gezeigt werden. Es konnte aber noch nicht geklärt werden, ob ein Faktor allein oder eine Kombination und Interaktion mehrerer Faktoren für die Verhaltensänderungen verantwortlich sind. Daher ist die nicht-invasive, räumlich und zeitlich hochaufgelöste Bestimmung von Metabolitenkonzentrationen und des pHi in vivo im Gehirn von Polarfischen für das Verstehen neurologischer Effekte von großer Bedeutung.Ziel des Projekts ist es, mit neuen methodischen Ansätzen der lokalisierten in vivo 1H-NMR-Spektroskopie ein besseres Verständnis der den neurologischen Störungen zugrundeliegenden Mechanismen zu erlangen. Dabei sollen insbesondere Editierverfahren eingesetzt werden, die eine spektrale Vereinfachung der in vivo 1H-NMR-Spektren durch die Unterdrückung unerwünschter Signale während der Erfassung ermöglichen. Diese Ansätze sind in der präklinischen Forschung bereits teilweise etabliert, müssen jedoch für die spezielle Anwendung an nicht anästhesierten Polarfischen (Temperatur um den Gefrierpunkt, Bewegung, Salzwasser u. a.) angepasst werden. Des Weiteren sollen diese Methoden mit spektroskopischen Bildgebungsverfahren kombiniert und die Quantifizierung der 1H-NMR-Spektren für die polaren Temperaturen optimiert werden.In einem früheren Projekt wurde von mir und meinen Kollegen der Ansatz des Chemical Shift Saturation Transfer (CEST) erstmalig für die pH-Bildgebung am Polardorsch genutzt. Dabei konnten wir zeigen, dass TauCEST, d. h. die auf Taurin beruhende CEST-MRI, die räumlich und zeitlich hochaufgelöste Bestimmung von relativen pHi-Änderungen im Gehirn unter erhöhten CO2-Konzentrationen ermöglicht. Eine Adaption dieser Methode für viele polare Fischarten scheint nach derzeitigem Kenntnisstand umsetzbar.Die Kombination von lokalisierter in vivo 1H-NMR-Spektroskopie und CEST-MRI soll daher die gleichzeitige Quantifizierung von Metaboliten und die Bestimmung des pHi mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen, um die neurophysiologischen Mechanismen aufzudecken, die für die unter Szenarien des Klimawandels beobachteten Verhaltensänderungen bei Polarfischen verantwortlich sind.

• DFG-Verfahren: Infrastruktur-Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1158: Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten
• Kooperationspartner: Dr. Christian Bock; Privatdozent Dr. Wolfgang Dreher