Die Zirbeldrüse und Melatonin

Originaldokument (Englisch): http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/endocrine/otherendo/pineal.html

Die Zirbeldrüse oder Epiphyse synthetisiert und sezerniert Melatonin, ein strukturell einfaches Hormon, das Informationen über die Umgebungsbeleuchtung an verschiedene Körperregionen weitergibt. Letztendlich hat Melatonin die Fähigkeit, biologische Rhythmen zu beeinflussen und hat wichtige Auswirkungen auf die Fortpflanzungsfunktion vieler Tiere. Die lichtdurchlässige Fähigkeit der Zirbeldrüse hat einige dazu veranlasst, die Zirbeldrüse das “dritte Auge” zu nennen.

Anatomie der Zirbeldrüse

Die Zirbeldrüse ist ein kleines Organ in Form eines Kiefernzapfens (daher der Name). Es befindet sich auf der Mittellinie, befestigt am hinteren Ende des Daches des dritten Ventrikels im Gehirn. Die Zirbeldrüse ist je nach Art unterschiedlich groß; beim Menschen ist sie etwa 1 cm lang, beim Hund hingegen nur etwa 1 mm. Um die Zirbeldrüse zu beobachten, reflektieren Sie die Hirnhälften seitlich und suchen Sie nach einer kleinen grauen Beule vor dem Kleinhirn. Die folgenden Bilder zeigen die Zirbeldrüse eines Pferdes in Bezug auf das Gehirn.

Histologisch besteht die Zirbeldrüse aus “Pinealozyten” und Gliazellen. Bei älteren Tieren enthält die Zirbeldrüse oft Kalkablagerungen (“Gehirnsand”).

Wie überträgt die Netzhaut Informationen über die Hell-Dunkel-Exposition zur Zirbeldrüse? Die Lichteinwirkung auf die Netzhaut wird zunächst an den suprachiasmatischen Kern des Hypothalamus weitergeleitet, einem Bereich des Gehirns, der dafür bekannt ist, biologische Taktsignale zu koordinieren. Die Fasern aus dem Hypothalamus steigen zum Rückenmark ab und ragen schließlich zur oberen Halsganglien, von der aus postganglionäre Neuronen zurück zur Zirbeldrüse aufsteigen. So ist die Zirbeldrüse dem Nebennierenmark in dem Sinne ähnlich, dass sie Signale vom sympathischen Nervensystem in ein hormonelles Signal umwandelt.

Melatonin: Synthese, Sekretion und Rezeptoren

Der Vorläufer von Melatonin ist Serotonin, ein Neurotransmitter, der seinerseits von der Aminosäure Tryptophan abgeleitet ist. Innerhalb der Zirbeldrüse wird Serotonin acetyliert und dann zu Melatonin methyliert.

Die Synthese und Sekretion von Melatonin wird durch die Lichteinwirkung auf die Augen dramatisch beeinträchtigt. Das grundlegende beobachtete Muster ist, dass die Serumkonzentrationen von Melatonin während der Tageslichtstunden niedrig sind und in der Dunkelheit auf einen Höchstwert ansteigen.

Beispiele für den zirkadianen Rhythmus der Melatoninsekretion beim Menschen sind in der Abbildung rechts dargestellt (angepasst an Vaughn, et al, J Clin Endo Metab 42:752, 1976). Die dunkelgrauen Balken repräsentieren die Nacht, und der Serummelatoninspiegel wird für zwei Individuen angezeigt (gelb versus hellblau). Beachten Sie, dass der Blutspiegel von Melatonin tagsüber im Wesentlichen nicht nachweisbar ist, aber in der Dunkelheit stark ansteigt. Bei anderen Arten sind sehr ähnliche Muster zu beobachten: Die Dauer der Melatoninsekretion an jedem Tag ist direkt proportional zur Länge der Nacht.

Der Mechanismus hinter diesem Sekretmuster während des Dunkelzyklus ist, dass die Aktivität des ratenbegrenzenden Enzyms in der Melatoninsynthese – Serotonin-N-Acetyltransferase (NAT) – bei Tageslicht niedrig und in der Dunkelphase hoch ist. In einigen Arten sind zirkadiane Veränderungen der NAT-Aktivität eng mit der Transkription der NAT-Messenger-RNA korreliert, während in anderen Arten die posttranskriptionelle Regulierung der NAT-Aktivität verantwortlich ist. Die Aktivität des anderen Enzyms, das an der Synthese von Melatonin aus Serotonin beteiligt ist – der Methyltransferase – zeigt keine Regulierung durch das Muster der Lichtexposition.

Zwei Melatonin-Rezeptoren wurden aus Säugetieren (bezeichnet als Mel1A und Mel1B) identifiziert, die in verschiedenen Geweben unterschiedlich exprimiert werden und wahrscheinlich an der Umsetzung unterschiedlicher biologischer Effekte beteiligt sind. Dies sind G-Protein-gekoppelte Zelloberflächenrezeptoren. Die höchste Dichte an Rezeptoren wurde im suprachiasmatischen Kern des Hypothalamus, der vorderen Hypophyse (überwiegend Pars tuberalis) und der Netzhaut gefunden. Rezeptoren sind auch in mehreren anderen Bereichen des Gehirns zu finden.

Melatonin wird nicht nur in der Zirbeldrüse, sondern auch in einem breiten Spektrum anderer Gewebe synthetisiert. Es ist auch in allen Mikroorganismen, Tieren und Pflanzen vorhanden, deren Verzehr zusätzliche Quellen für Melatonin sind.

Biologische Effekte von Melatonin

Melatonin hat wichtige Auswirkungen auf die Integration der Photoperiode und auf den circadianen Rhythmus. Folglich wurde berichtet, dass es signifikante Auswirkungen auf die Fortpflanzung, Schlaf-Wach-Zyklen und andere Phänomene mit zirkadianem Rhythmus hat.

Auswirkungen auf die reproduktive Funktion

Saisonale Veränderungen der Tageslänge haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Fortpflanzung bei vielen Arten, und Melatonin ist ein Schlüsselfaktor bei der Kontrolle solcher Ereignisse. In gemäßigten Klimazonen haben Tiere wie Hamster, Pferde und Schafe eine unterschiedliche Brutzeit. Während der Nicht-Brutzeit werden die Gonaden inaktiv (z.B. Männer produzieren keine Spermien in beliebiger Anzahl), aber wenn die Brutzeit näher rückt, müssen die Gonaden verjüngt werden. Photoperiode – die Länge des Tages über die Nacht – ist der wichtigste Anhaltspunkt, anhand dessen Tiere bestimmen können, zu welcher Jahreszeit es stattfindet. Wie Sie wahrscheinlich schon gefolgert haben, ist die Zirbeldrüse in der Lage, die Tageslänge zu messen und die Sekretion von Melatonin entsprechend anzupassen. Ein Hamster ohne Zirbeldrüse oder mit einer Läsion, die verhindert, dass die Zirbeldrüse Fotoinformationen erhält, ist nicht in der Lage, sich auf die Brutzeit vorzubereiten.

Die Wirkung von Melatonin auf das Fortpflanzungssystem lässt sich zusammenfassen, indem man sagt, dass es anti-gonadotrop ist. Mit anderen Worten, Melatonin hemmt die Sekretion des luteinisierenden Hormons der gonadotropen Hormone und des follikelstimulierenden Hormons aus der vorderen Hypophyse. Ein Großteil dieser hemmenden Wirkung scheint auf die Hemmung des Gonadotropin-freisetzenden Hormons aus dem Hypothalamus zurückzuführen zu sein, das für die Sekretion der vorderen Hypophysenhormone notwendig ist.

Eine praktische Anwendung der Rolle von Melatonin bei der Kontrolle der saisonalen Reproduktion ist die Verwendung zur künstlichen Manipulation von Zyklen bei saisonalen Züchtern. So können beispielsweise Schafe, die normalerweise nur einmal im Jahr züchten, durch die Behandlung mit Melatonin zu zwei Brutzeiten veranlasst werden.

Auswirkungen auf Schlaf und Aktivität

Melatonin ist wahrscheinlich kein wichtiger Regulator für normale Schlafmuster, hat aber zweifellos eine gewisse Wirkung. Ein Thema, das großes Interesse hervorgerufen hat, ist die Verwendung von Melatonin allein oder in Kombination mit der Phototherapie zur Behandlung von Schlafstörungen. Es gibt einige Anzeichen dafür, dass der Melatoninspiegel bei älteren Insomnikern im Vergleich zu altersgerechten Nicht-Insomnikern niedriger ist, und die Melatonintherapie scheint in solchen Fällen bei der Korrektur des Problems bescheiden vorteilhaft zu sein.

Eine weitere Schlafstörung ist bei Schichtarbeitern zu beobachten, die es oft schwierig finden, sich an die Nacht- und Tagesarbeit anzupassen. Der Nutzen der Melatonintherapie zur Linderung dieses Problems ist zweifelhaft und scheint nicht so effektiv zu sein wie die Phototherapie. Noch eine weitere Bedingung, die eine Störung des zirkadianen Rhythmus mit sich bringt, ist der Jetlag. In diesem Fall wurde wiederholt nachgewiesen, dass die Einnahme von Melatonin in der Nähe der Zielbettzeit des Zielortes die Symptome lindern kann; es hat die größte positive Wirkung, wenn der Jetlag als am schlimmsten vorhergesagt wird (z.B. durchqueren vieler Zeitzonen).

Bei verschiedenen Arten, einschließlich des Menschen, hat sich gezeigt, dass die Verabreichung von Melatonin die motorische Aktivität verringert, Müdigkeit und niedrigere Körpertemperatur verursacht, insbesondere bei hohen Dosen. Die Wirkung auf die Körpertemperatur kann eine wichtige Rolle bei der Fähigkeit von Melatonin spielen, Schlaf-Wach-Zyklen mit sich zu führen, wie bei Patienten mit Jetlag.

Andere Wirkungen von Melatonin

Eines der ersten Experimente zur Aufklärung der Funktion der Zirbeldrüse, Extrakte aus Zirbeldrüsen von Rindern wurden dem Wasser mit Kaulquappen zugesetzt. Interessanterweise reagierten die Kaulquappen, indem sie sehr hell oder fast transparent wurden, aufgrund von Veränderungen in der Verteilung der Melaninpigmente. Obwohl solche kutanen Wirkungen von Melatonin bei einer Vielzahl von “niederen Arten” zu beobachten sind, hat das Hormon bei Säugetieren oder Vögeln keine solchen Auswirkungen.

Melatonin-Supplementierung

Melatonin wird nach dem Verzehr leicht aufgenommen und melatoninhaltige Nahrungsergänzungsmittel sind unter bestimmten Umständen nützlich, einschließlich Schlafstörungen bei Erwachsenen und Jetlag. Darüber hinaus gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass Melatonin vor einer Vielzahl von Herz-Kreislauf-Erkrankungen schützt und dass eine Nahrungsergänzung, insbesondere bei älteren Menschen, die die endogene Synthese verringert haben, als Herzschutz nützlich sein kann. Eine gewisse Vorsicht ist geboten – es gab Fälle, in denen Kinder nach dem Verzehr von Melatonin-Gummi-Bonbons krank wurden.

Referenzen und Rezensionen

  • Jiki Z, Lacour S, Nduhirabandi F. Cardiovascular benefits of dietary melatonin: A myth or a reality? Front Physiol 2018; 9:528-45.
  • Holst SC, Valomon A, Landolt H. Sleep pharmacogenetics: Personalized sleep-wake therapy. Ann Rev Pharmacol Toxicol 2016; 56:577-603.
  • Xie Z, Chen F, Wa L, etc. A review of sleep disorders and melatonin. Neurol Res 2017; 39:559-565.