Warum werden Zellen geschädigt, wenn sie zu wenig Sauerstoff bekommen?

Sauerstoff ist der Treibstoff für die effiziente Energiefabrik der Zelle: die Mitochondrien. Ohne ausreichend Sauerstoff schalten Zellen auf einen Notbetrieb um, der weit weniger Energie liefert und große Mengen Laktat als Abfallprodukt hinterlässt. In den Zellen, die die Innenwand der Blutgefäße auskleiden, führt das unmittelbar zu einem Energiemangel.

Das angehäufte Laktat löst dann eine Kettenreaktion aus. Es bindet an ein Protein, das die Glykolyse steuert, stabilisiert dieses und verstärkt den Notbetrieb dadurch noch weiter. Gleichzeitig schädigt das Laktat die Mitochondrien der Muskelzellen in der Gefäßwand: Sie werden zu durchlässig, verlieren genetisches Material und senden ein Alarmsignal, das die Zelle in den programmierten Zelltod treibt. So entsteht ein sich selbst verstärkender Teufelskreis.

Gehirnzellen reagieren auf diesen Prozess besonders empfindlich, weil sie kaum Energiereserven besitzen. Sauerstoffmangel aktiviert dort mehrere Schadenswege gleichzeitig: programmierten Zelltod, gestörte Abfallentsorgung, DNA-Schäden und den Ausfall von Mitochondrien. Darüber hinaus wird die Blut-Hirn-Schranke beschädigt: Ein Dichtungsprotein in der Gefäßwand des Gehirns verlagert sich von seiner normalen Position, sodass schädliche Stoffe ins Gehirn eindringen können. Bei anhaltendem Sauerstoffmangel wird auch das hirneigene Immunsystem überaktiv, was den Schaden weiter vergrößert und kognitivem Abbau Vorschub leisten kann.

Mitochondrien verfügen normalerweise über ein eingebautes Qualitätskontrollsystem: Beschädigte Exemplare werden aufgespalten und abgebaut, gesunde werden zusammengeführt. Ein Regulatorprotein, das diese Aufspaltung steuert, gerät bei Sauerstoffmangel chemisch aus dem Gleichgewicht, wodurch sich beschädigte Mitochondrien anhäufen. Dieser Mechanismus spielt bei Schäden an Herz, Gehirn und anderen Organen eine wichtige Rolle.

Einen Sonderfall stellt Sauerstoffmangel in Tumoren dar: Krebszellen passen sich daran an, indem sie Signalwege aktivieren, die den Zelltod gezielt hemmen. Das macht sie widerstandsfähiger gegenüber Bestrahlung und Chemotherapie und erschwert die Behandlung erheblich. In der Schwangerschaft kann Sauerstoffmangel in der Plazenta zu einer spezifischen Form des Zelltods führen, bei der Fettmoleküle oxidieren. Die so geschädigten Zellen setzen anschließend schädliche Substanzen in den Blutkreislauf frei, die die Blutgefäße der Mutter angreifen.