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Wirkmechanismus von Betäubungsmitteln Forscher narkotisieren Venusfliegenfallen

Quelle: Pressemitteilung

Die Wirkung von Betäubungsmitteln ist oft kaum im Detail verstanden. Nun haben Forscher der Uni Würzburg gezeigt, dass Venusfliegenfallen sich ähnlich wie Menschen narkotisieren lassen. Vielleicht eignen sich diese Pflanzen deshalb als Studienobjekt, um die Wirkung der Anästhetika besser zu verstehen.

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Die Venusfliegenfalle kann Reize ähnlich weiterleiten wie es beim Mensch der Fall ist.
Die Venusfliegenfalle kann Reize ähnlich weiterleiten wie es beim Mensch der Fall ist.
(Bild: gemeinfrei, Rineshkumar Ghirao / Pixabay )

Würzburg – Die Medizin verfügt über ein breites Repertoire an Anästhetika, das Patienten schmerzhafte Behandlungen besser ertragen oder sogar verschlafen lässt. Bereits 1842 wurde bei einer Zahnbehandlung in New York Diethylether verwendet, auch Äther genannt. Seitdem diente dieses Anästhetikum über 100 Jahre als eines der Hauptnarkosemittel weltweit.

Bemerkenswerterweise ist die Betäubung auch bei Pflanzen möglich. Claude Bernard wies dies schon 1878 an der berührungsempfindlichen Pflanze Mimosa pudica nach, die auf Berührungen reagiert, indem sie die Blätter schließt. Unter „Betäubung“ mit Äther folgte hingegen keine Reaktion der Blätter auf eine Berührung. Er schloss daraus, dass Pflanzen und Tiere eine gemeinsame biologische Essenz haben müssen, die durch Betäubungsmittel gestört wird.

Äthernarkosen wurden bei Operationen, Geburten und in der Palliativmedizin eingesetzt, um Patienten den Schmerz zu nehmen. Allerdings konnte der genaue Wirkmechanismus niemals aufgeklärt werden. Selbst bei modernen Anästhetika ist oft unklar, wie und wo sie wirken. Ein Grund dafür ist sicherlich, dass der Mensch ein sehr sensibles Forschungsobjekt darstellt. Experimente direkt am Patienten sind ein heikles Thema und wenn überhaupt nur unter Einhaltung strenger Auflagen durchführbar.

„Nervensystem“ und „Gedächtnis“ einer Pflanze

Hier haben sich nun Pflanzenforscher der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg eingeschaltet. Das Team von Professor Rainer Hedrich widmet sich seit vielen Jahren der Erforschung der Venusfliegenfalle. Ihm gelangen schon viele Einblicke in das Leben dieser fleischfressenden Pflanze. „Anders als die meisten anderen Pflanzen ist die Venusfliegenfalle besonders empfindlich gegenüber Berührungen. Auf solche Reize hin werden Elektroimpulse ausgelöst und extrem schnell weitergeleitet, um tierische Beute zu fangen“, erklärt Hedrich.

Die elektrischen Impulse (Aktionspotentiale, kurz APs) der Fliegenfalle sind mit denen des menschlichen Nervensystems vergleichbar. Zwar besitzen Pflanzen kein ausgeprägtes Nervensystem. Sie leiten aber elektrische Informationen in ihrem Leitgewebe weiter, um die Falle z. B. blitzschnell zu schließen: „Wir konnten 2016 zeigen, dass die Venusfliegenfalle, wie ein Mensch, Berührungen nicht nur wahrnehmen, sondern auch die gefeuerten APs zählen und sich merken kann“, sagt der Würzburger Professor. „Da lag es nahe zu testen, ob und wie sich Äther auf den Berührungssinn der fleischfressenden Pflanze auswirkt“.

Botenstoff Kalzium ist in Menschen und Pflanzen relevant

Eine betäubte Venusfliegenfalle (oben) kann sich nicht mehr schließen, wenn sie zum Beispiel von einer Ameise stimuliert wird. Grund hierfür ist, dass Äther die Ausbreitung eines Kalziumsignals vom sensorischen Haar in die Falle verhindert (rechts).
Eine betäubte Venusfliegenfalle (oben) kann sich nicht mehr schließen, wenn sie zum Beispiel von einer Ameise stimuliert wird. Grund hierfür ist, dass Äther die Ausbreitung eines Kalziumsignals vom sensorischen Haar in die Falle verhindert (rechts).
(Bild: Sönke Scherzer / Universität Würzburg)

In ihren Versuchen stellten die Würzburger Forscher fest, dass sich die Venusfliegenfalle, ähnlich wie ein Mensch, narkotisieren lässt und dass sie in dieser Zeit nicht auf Berührungen reagiert. Untersuchungen des „Pflanzen-Gedächtnisses“ zeigten sogar, dass sich die Falle nicht an Berührungen während der Narkose „erinnern“ kann. Somit unterscheidet sich ihre Reaktion nicht vor der eines Patienten, wie Hedrichs Team in der aktuellen Studie berichtet.

„Richtig spannend wurde die Sache aber, als wir feststellten, dass die betäubten Fallen Berührungen zwar lokal wahrnehmen, sie aber nicht weiterleiten können“, sagt Sönke Scherzer, der Erstautor der Veröffentlichung. Jede Berührung der Sinneshaare führt bei der Venusfliegenfalle zum Ausschütten des Signalmoleküls Kalzium. Dieses Molekül spielt auch bei der Reizweiterleitung im Menschen eine entscheidende Rolle.

Anästhesie der Venusfliegenfalle

Bei der Pflanze hatten die JMU-Forscher nun Untersuchungsmöglichkeiten, die sie bei einem menschlichen Probanden so nicht hätten anwenden dürfen. Sie machten das Kalzium-Signal mittels Expression genetisch kodierter Kalzium-Sensoren sichtbar. Dabei stellte sich heraus, dass in den Sinneshaaren von narkotisierten Pflanzen nach einer Berührung immer noch das Kalzium-Signal entsteht, dass es aber diesen Berührungssensor nicht mehr verlässt. Äther unterbricht also die Reizweiterleitung. „Nun wussten wir endlich, in welchem Gewebe der Äther wirkt“, sagt Scherzer.

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„Wir zeigen mit dieser Arbeit, dass die Venusfliegenfalle nicht nur der Pflanzenforschung, sondern auch der Medizin als Studienobjekt dienen kann“, stellt Erstautor Scherzer in Aussicht.

Mit der Venusfliegenfalle könnte es möglich sein, den Wirkmechanismus von Arzneimitteln ohne Tierversuche zu untersuchen.

Sönke Scherzer, Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, Fakultät für Biologie

Details zum Mechanismus aufgedeckt

Um den genauen Wirkmechanismus der Narkose zu verstehen, haben die Würzburger Forscher diese Haare im Detail untersucht und dabei herausgefunden, dass nur die Haare von ausgewachsenen Fallen das schnelle Kalzium-Signal auf Berührungen hin auslösen. Unreife Fallen hingegen haben dieses Signal nicht und können daher auch keine Beute fangen.

„Nun haben wir geschaut, wie sich diese beiden Entwicklungsstadien unterscheiden und sind dabei auf ein interessantes Gen gestoßen, dass sich ausschließlich in den Haaren ausgewachsener Fallen findet“, erklärt Studienleiter Hedrich. Hierbei handelt es sich um das Gen für einen Glutamatrezeptor, der anscheinend für die schnelle Reizweiterleitung verantwortlich ist. Diese Rezeptoren nehmen den Nervenbotenstoff Glutamat wahr und finden sich auch beim Menschen, wo sie in den Synapsen bei der Erregungsübertragung beteiligt sind.

Die Geheimnisse des Glutamatrezeptors entschlüsseln

Für das Aufschlüsseln der Erregungsübertragung bekamen die Pflanzenforscher Unterstützung von Professor Manfred Heckmann, einem Experten für tierische Glutamatrezeptoren an der JMU. „Tatsächlich sehen wir Kalzium-Signale, wenn wir die Fallen von außen mit Glutamat stimulieren“, sagt Heckmann. „Allerdings findet diese Reaktion nicht bei narkotisierten Fallen oder unreifen Fallen ohne den Glutamatrezeptor statt.“ Somit erscheint der Glutamatrezeptor als wahrscheinliches Ziel bei einer Äther-Narkose. Wenn dieser Rezeptor blockiert wird, kommt auch die Reizweiterleitung zum Erliegen. „Jetzt gilt es herauszufinden, was die Glutamatrezeptoren von Tieren und Pflanzen gemeinsam haben und wie sie sich unterscheiden“, skizziert Heckmann laufende experimentelle Arbeiten.

Originalpublikation: Sönke Scherzer et al.: Ether anesthetics prevents touch-induced trigger hair calcium-electrical signals excite the Venus flytrap, Scientific Reports volume 12, Article number: 2851 (2022); DOI: 10.1038/s41598-022-06915-z

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