Eine hohe Fluoridbelastung zerstört die Gehirnzellstrukturen von Labormäusen

Die Exposition gegenüber erhöhten Natriumfluoridspiegeln kann die kognitiven Fähigkeiten beeinträchtigen, indem sie die Art und Weise verändert, wie Gehirnzellen wachsen und kommunizieren. Eine neue kleine Studie an Mäusen und im Labor gezüchteten Geweben zeigt, dass übermäßige Mengen dieser Chemikalie die Strukturproteine ​​zerstören, die für gesunde neuronale Verbindungen notwendig sind. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Gehirnforschung.

Fluorid ist ein aktives nichtmetallisches Element, das in der Natur weit verbreitet ist. In geringen Spuren wirkt es sich positiv auf die menschliche Gesundheit aus. Zahnärzte empfehlen häufig niedrige Konzentrationen, um den Zahnschmelz zu härten und Karies vorzubeugen.

Eine übermäßige Exposition über einen längeren Zeitraum birgt jedoch systemische Gesundheitsrisiken. In vielen Regionen enthalten Oberflächen- und Grundwasser von Natur aus erhöhte Mengen des Minerals. Dies geschieht, wenn Grundwasser durch umliegende Felsformationen fließt, die große Fluoritvorkommen enthalten. Gemeinden, die auf diese unbehandelten Wasserquellen angewiesen sind, können einer chronischen Fluoridvergiftung ausgesetzt sein.

Im Laufe der Zeit können sich giftige Mengen des Mineralstoffs im Körper ansammeln. Abgesehen von körperlichen Beschwerden, die das Skelettgerüst beeinträchtigen, verändern hohe chemische Belastungen auch das Zentralnervensystem. Frühere Beobachtungen in menschlichen Populationen deuten darauf hin, dass Personen, die in geografischen Gebieten mit hohem Fluoridgehalt leben, bei Intelligenztests häufig schlechtere Ergebnisse erzielen als Personen, die in Gebieten mit niedrigem Fluoridgehalt leben.

Die biologischen Mechanismen hinter diesem kognitiven Verfall sind für die wissenschaftliche Gemeinschaft größtenteils ein Rätsel, obwohl das Thema zunehmender akademischer Aufmerksamkeit unterliegt. Ein separates Papier, das Anfang 2024 veröffentlicht wurde, wies auf einen Zusammenhang zwischen dem Fluoridspiegel der Mutter und Verhaltensstörungen bei Kleinkindern hin und deutete auf frühe Entwicklungsschwächen hin. Um genau zu untersuchen, wie die Chemikalie Nervengewebe schädigt, führten Hauptautor Lingli Chen und ein Forscherteam am Henan Institute of Science and Technology in China Laborexperimente durch.

Die Forscher beschlossen, sich auf bestimmte Proteine ​​zu konzentrieren, die die Entwicklung und strukturelle Stabilität von Gehirnnetzwerken steuern. Damit das Gehirn Informationen verarbeiten und Erinnerungen bilden kann, müssen seine Nervenzellen effektiv kommunizieren. Sie tun dies, indem sie chemische Signale über winzige Lücken, sogenannte Synapsen, senden.

Die Empfangs- und Sendeenden dieser neuronalen Verbindungen wachsen, schrumpfen und passen sich basierend auf den Lernerfahrungen eines Organismus ständig an. Dieses anpassungsfähige Zellverhalten beruht auf einem mikroskopisch kleinen inneren Gerüst, dem Zytoskelett. Mehrere spezialisierte Proteine ​​erhalten dieses interne Gerüst aufrecht und steuern die präzise Bildung neuer Nervenzweige.

Die Forscher verfolgten drei wichtige Strukturmarker: Drebrin, postsynaptisches Dichteprotein 95 und wachstumsassoziiertes Protein 43. Drebrin stabilisiert das innere Skelett und hilft bei der Formung der Empfangsantennen von Neuronen. Das postsynaptische Dichteprotein 95 verankert das Empfangsende einer Synapse und stellt sicher, dass Signale richtig erfasst werden. Das wachstumsassoziierte Protein 43 führt die Spitze einer wachsenden Nervenfaser zu ihrem beabsichtigten Ziel.

Um zu testen, wie Fluorid diese Proteine ​​beeinflusst, konzipierte das Forschungsteam eine kleine Studie mit dreißig weiblichen Mäusen. Nach einer ersten Eingewöhnungsphase teilten sie die Tiere in drei gleich große Versuchsgruppen ein. Eine Gruppe trank reines entionisiertes Wasser, die zweite Gruppe trank Wasser mit fünfzig Milligramm pro Liter Natriumfluorid und die dritte Gruppe trank Wasser mit einhundert Milligramm pro Liter.

Die Exposition dauerte fünf Monate. Anschließend bewertete das Team die Lern- und Gedächtnisfähigkeiten der Tiere mithilfe einer Verhaltenstechnik, die als Step-Down-Test bekannt ist. Die Forscher platzierten die Mäuse vorübergehend auf einer isolierten erhöhten Plattform in einer dafür vorgesehenen Testkammer.

Der Metallgitterboden rund um die Plattform verursachte einen leichten Stromschlag. Aus natürlichem Instinkt springt eine platzierte Maus von der erhöhten Bühne, sollte aber schnell lernen, an Ort und Stelle zu bleiben, um den unbequemen Boden zu meiden. Die Wissenschaftler zeichneten auf, wie oft die Tiere versehentlich heruntersprangen, und zählten jeden Sprung als Fehler im Vermeidungsgedächtnis.

Die Verhaltensergebnisse zeigten einen deutlichen Rückgang der kognitiven Leistung bei den Versuchsgruppen. Mäuse, die das verunreinigte Wasser tranken, erlitten Gewichtsverlust und eine Verringerung des gesamten Gehirngewichts. Während der Testphase machten die Tiere, die der mittleren Fluoriddosis ausgesetzt waren, mehr Fehler als diejenigen, die reines Wasser tranken. Die höchste Dosisgruppe machte auch mehr Fehler, obwohl die Ergebnisse für diesen spezifischen Vergleich statistisch nicht signifikant waren.

Als nächstes untersuchte das Team das tierische Gehirngewebe mithilfe molekularer Analysetechniken. Sie haben die Boten-RNA gemessen, die als genetische Anweisungen fungiert, die von der DNA kopiert werden, um Strukturproteine ​​aufzubauen. Sie haben auch die endgültigen Architekturproteine ​​mithilfe einer Labormethode gemessen, die spezifische Zellmoleküle identifiziert.

Bei den Tieren, die den höchsten Fluoridkonzentrationen ausgesetzt waren, sanken die genetischen Anweisungen zum Aufbau des postsynaptischen Dichteproteins 95. Die Proteinwerte für Drebrin zeigten nach anhaltender Exposition ebenfalls einen Abwärtstrend, obwohl die gemessenen Veränderungen statistisch nicht signifikant waren.

Auch die Baupläne für das wachstumsassoziierte Protein 43 nahmen mit zunehmender Dosis der Chemikalie ab. Seltsamerweise stiegen die physischen Proteinwerte für diesen spezifischen Marker in der Gruppe mit der niedrigen Dosis tatsächlich an. Die Forscher vermuten, dass es sich dabei um einen frühen Kompensationsmechanismus des Körpers handelt, bei dem der Organismus versucht, anfängliche Nervenschäden zu reparieren, indem er schnell mehr Wachstumsproteine ​​produziert.

Um die zellulären Mechanismen ohne die Einwirkung eines gesamten Tierkörpers zu isolieren, führte das Team ein sekundäres Experiment durch. Sie verwendeten eine gemeinsame Linie von im Labor gezüchteten Zellen, die ursprünglich aus dem Hippocampus der Maus stammten. Der Hippocampus ist eine spezialisierte Gehirnregion, die für räumliches Lernen und Gedächtniskonsolidierung unerlässlich ist.

Die Wissenschaftler setzten diese kultivierten Zellen vierundzwanzig Stunden lang verschiedenen Natriumfluoridkonzentrationen im Bereich von null bis fünfzig Millimolar aus. Sie beobachteten die Proben mit Rasterlasermikroskopen. Um die mikroskopische Anatomie sichtbar zu machen, behandelten sie die Zellen mit spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen, die sich an das Zellskelett binden und unter dem Lasergerät aufleuchten.

Um sicherzustellen, dass ihre Zellzahlen präzise waren, zeichneten die Forscher die optischen Dichten der Gewebeschichten auf. Sie fanden heraus, dass niedrige Dosen von einem halben Millimolar kaum Auswirkungen auf die Zellen hatten. Der Sprung auf zwei Millimolare Konzentrationen führte jedoch zu einem starken Absterben in der künstlichen Umgebung, wodurch die Zellproliferation gestoppt wurde.

Die überlebenden Einheiten zeigten unter dem Lasermikroskop schwere körperliche Missbildungen. Ihre astartigen Ausläufer, sogenannte Dendriten, begannen zu verkümmern. In einigen Beispielen verschwanden die Erweiterungen vollständig. Die Anzahl der Verbindungspunkte zwischen benachbarten Zellen ist gesunken. Das interne Proteinnetzwerk, insbesondere eine Strukturkomponente namens F-Aktin, verlor seine dichte Matrix vollständig.

Molekulare Tests an den Zellkulturen spiegelten die früheren Tierversuche wider. Nach einem Tag der Exposition zeigten die Zellen einen starken Rückgang der Produktion von Drebrin, dem postsynaptischen Dichteprotein 95 und dem wachstumsassoziierten Protein 43. Ohne diese Bausteine ​​könnten die Nervenzellen ihre beabsichtigte Strukturform einfach nicht beibehalten.

Die Ergebnisse sowohl der lebenden Tiere als auch der isolierten Zellen deuten auf eine Störung der grundlegenden synaptischen Struktur hin. Durch das Stoppen der normalen Produktion struktureller Gerüstmaterialien scheint übermäßiges Fluorid die Gedächtnisnetzwerke des Gehirns physisch zu schädigen. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die konkreten biologischen Wirkungen stark von der Schwere der Exposition abhängen.

Bei diesem speziellen Forschungsansatz sind einige Vorbehalte zu beachten. Die in den Laborexperimenten verwendeten chemischen Konzentrationen waren außergewöhnlich hoch. Natürliches Trinkwasser erreicht selten die extremen Werte, die in dieser Anordnung auf Mäuse und Gewebe angewendet werden.

Darüber hinaus belegen die Ergebnisse zwar eine starke physiologische Korrelation zwischen toxischer Belastung und Proteinabbau, belegen jedoch keine absolute Abfolge von Ereignissen. Die Forscher stellten fest, dass weitere genetische Experimente notwendig seien, um die Kausalität nachzuweisen. In Zukunft plant das Team, größere Proben und Umweltkonzentrationen zu verwenden, die näher an der natürlichen menschlichen Exposition liegen.
Die Studie, „Die Exposition gegenüber Natriumfluorid verursachte kognitive Beeinträchtigungen über Störungen der synaptischen Proteinexpression und der neuronalen Entwicklung im Gehirn von Mäusen„wurde von Lingli Chen, Rui Wang, Penghuan Jia, Qian Jiang, Siyuan An, Zhihong Yin, Dongfang Hu, Hongmei Ning und Yaming Ge verfasst.