Eine Beziehung zwischen Mitochondrien und Krankheiten wurde 1975 deutlich, als Douglas Wallace und seine Kollegen, damals an der Yale University, einen Zusammenhang zwischen mitochondrialer DNA und einer genetischen Störung beschrieben. In den 1990er Jahren brachten Forscher die Auswirkungen von Mutationen in der mitochondrialen DNA mit verschiedenen anderen Erkrankungen in Verbindung. Einer von 5.000 Menschen hat eine mitochondriale Erbkrankheit, deren Folgen Diabetes, Seh- und Hörprobleme, Lernschwierigkeiten und andere Störungen sein können. Erst in den letzten zehn Jahren haben sich Wissenschaftler ernsthaft mit dem Einfluss der Mitochondrien auf die geistige Gesundheit und das Wohlbefinden befasst, vor allem in Bezug auf Stress, Angst und Depression.
Sandis Arbeit entstand aus einer Intuition heraus, dass Mitochondrien die Funktionsweise bestimmter Gehirnbahnen verändern könnten. Unser Gehirn verbraucht 20 % des Sauerstoffs, den unser Körper aufnimmt, obwohl das Gehirn nur 2 % unseres Gewichts ausmacht. Ein Defizit in der zellulären Energieproduktion in kritischen neuronalen Schaltkreisen, so ihre Hypothese, könnte den allgemeinen Mangel an Motivation und Selbstwertgefühl erklären, der bei ängstlichen Menschen zu beobachten ist.
Als Sandi Ratten in einen Wettbewerb um eine soziale Hierarchie versetzte, stellte sie fest, dass die weniger ängstlichen Tiere mit größerer Wahrscheinlichkeit den dominanten Rang einnahmen. Weitere Studien zeigten, dass diese weniger ängstlichen Tiere eine bessere Mitochondrienfunktion im Nucleus accumbens aufwiesen, einem Teil des Gehirns, der für motiviertes Verhalten und die Erzeugung von Anstrengung von entscheidender Bedeutung ist.
Weitere Forschungen in vielen Labors brachten weitere Zusammenhänge zwischen Stress und Mitochondrien zutage. 2018 veröffentlichten Picard und der Anfang des Jahres verstorbene Pionier der Stressforschung Bruce McEwen eine Meta-Analyse von 23 Studien zu Mitochondrien und Angst: 19 zeigten „signifikante negative Auswirkungen von psychologischem Stress auf Mitochondrien“, und auch die anderen vier stellten Veränderungen der Größe oder Funktion von Mitochondrien als Reaktion auf Stress fest.
Ein Übersichtsartikel von Anke Hoffmann vom Museum für Naturkunde in Berlin und Dietmar Spengler vom Max-Planck-Institut für Psychiatrie in München aus dem Jahr 2018 fasst die Beweise dafür zusammen, dass Mitochondrien die strukturellen und funktionellen Reaktionen des Gehirns auf Stress im frühen Leben vermitteln und als „subzelluläres Substrat im Programmierungsprozess dienen könnten.“ Die experimentellen Beweise für Zusammenhänge zwischen der Funktion der Mitochondrien und der psychischen Gesundheit sind noch vorläufig und weisen erhebliche Einschränkungen auf, aber sie sind stark genug, um die Wissenschaftler davon zu überzeugen, genauer hinzusehen.
Das Zusammenspiel der Mitochondrien
Ein Rätsel, das noch untersucht wird, betrifft die Einzelheiten dessen, was mit den Mitochondrien unter Stress geschieht. Picards beste Vermutung ist, dass es damit beginnt, dass ein Stressauslöser Zellen in den Nebennieren dazu bringt, das Hormon Cortisol freizusetzen. In diesen Zellen synthetisieren die Mitochondrien das Hormon (mit Hilfe einer anderen Organelle, dem endoplasmatischen Reticulum), indem sie Cholesterin in Cortisol umwandeln. Das Cortisol wird dann mit dem Blut durch den Körper transportiert. Spezialisierte Rezeptoren transportieren das Cortisol in die Zellkerne, wo es etwa 1.000 Gene aktiviert, die den Zellen helfen, sich auf die Reaktion „Kampf oder Flucht“ vorzubereiten. Die Rezeptoren leiten aber auch einen Teil des ankommenden Cortisols in die Mitochondrien weiter, wo es mit der mitochondrialen DNA interagiert und die Energieproduktion effizienter macht.
Die Mitochondrien in den Nebennieren produzieren das Stresshormon, und es wandert zu anderen Mitochondrien im ganzen Körper, was zu einer integrierten Stressreaktion führt. „Dadurch entsteht ein wunderbarer mitochondrialer Cross-Talk zwischen den Organen, über den noch nicht viel diskutiert oder entwickelt wurde“, so Picard.
Wenn sich die Mitochondrien als Reaktion auf diese Signale anpassen, können sie ihre Form verändern, von einer Bohnenform zu einer länglichen, spaghettiartigen Struktur, sich aufspalten oder miteinander fusionieren. Eine Störung dieser Fusions- und Spaltungsprozesse kann zu Zellschäden und sogar zum Tod führen. Picard vergleicht diese Störung mit sozialer Isolation – wenn Mitochondrien nicht miteinander reden können, geht es ihnen schlechter.
Um herauszufinden, wie sich Stress auf die Mitochondrien in Gehirnzellen auswirkt, müssen oft Tiere geopfert werden – eine Praxis, die beim Menschen offensichtlich nicht in Frage kommt. Dennoch haben die wenigen Studien, die Wege gefunden haben, das Problem bei Menschen zu erforschen, Hinweise auf einen Zusammenhang gefunden.
Eine davon war eine Studie aus dem Jahr 2019 in Psychoneuroendocrinology, die von Caroline Trumpff, einer Postdoktorandin in Picards Labor, geleitet wurde. Sie und ihre Mitarbeiter Anna Marsland und Brett Kaufman von der University of Pittsburgh untersuchten eine kleine Stichprobe gesunder Erwachsener mittleren Alters und fanden einen Zusammenhang zwischen akutem psychologischem Stress und einem schnellen Anstieg kurzer Abschnitte mitochondrialer DNA, die außerhalb der Zellen schwimmen. Solche Stücke mitochondrialer DNA werden normalerweise bei schädigenden Ereignissen im Zusammenhang mit Verletzungen oder Krankheiten freigesetzt. Der Effekt war bei Männern ausgeprägter als bei Frauen.
Wie diese Art von stressbedingter mitochondrialer Schädigung zustande kommt, ist noch nicht geklärt. Eine wahrscheinliche Erklärung ist, dass eine Überaktivität der Mitochondrien als Reaktion auf Stress dazu führt, dass sie mehr Moleküle, so genannte reaktive Sauerstoffspezies, erzeugen, die für die Zellen toxisch sein können, so Sandi.