Warum werden Zellen durch Sauerstoffmangel geschädigt?

Fehlt der Zelle Sauerstoff, bricht ihre normale Energieproduktion in den Mitochondrien zusammen. Als Notlösung schaltet sie auf einen Alternativweg um, der weit weniger Energie liefert und gleichzeitig große Mengen Laktat (Milchsäure) erzeugt. Dieses Laktat setzt eine chemische Markierung an ein zentrales Protein des Energiestoffwechsels – und treibt damit den Verfall der Mitochondrien weiter voran. Es entsteht ein Teufelskreis: Weniger Sauerstoff führt zu mehr Laktat, das wiederum die Kraftwerke der Zelle weiter schädigt.

In Blutgefäßwänden richtet Sauerstoffmangel auch strukturellen Schaden an der inneren Membran der Mitochondrien an. Dabei tritt mitochondriale DNA aus den Mitochondrien ins Zellinnere aus. Das zelluläre Immunsystem wertet dieses ausgetretene Erbmaterial als Alarmsignal und aktiviert gleichzeitig mehrere Zelltodprogramme. Die Folge: Zellen sterben über verschiedene Wege gleichzeitig ab.

In Nervenzellen läuft dieser Prozess besonders schnell ab. Sie benötigen enorme Mengen Energie, um das Ionengleichgewicht zwischen Zellinneren und Zelläußerem aufrechtzuerhalten. Bricht die Energieversorgung weg, häuft sich der Neurotransmitter Glutamat an, und zu viel Calcium strömt in die Zelle ein. In hohen Konzentrationen wirkt dieses Calcium giftig und löst den Zelltod aus. Dabei kann die Schädigung sogar nach Wiederherstellung der Sauerstoffzufuhr weiter fortschreiten. Bei länger anhaltendem Mangel werden außerdem die Immunzellen des Gehirns überaktiv, was die Blut-Hirn-Schranke beschädigt und zur Entstehung vaskulärer Demenz beitragen kann.

Ein weiterer Schadensmechanismus ist die Ferroptose: eine Form des Zelltods, bei der sich toxische, oxidierte Fette in der Zellmembran anstauen, bis diese schließlich zerstört wird. Gesteuert wird dieser Prozess über einen Sensor, den die Zelle normalerweise zur Erkennung von Sauerstoffmangel nutzt. Bei Präeklampsie spielt dieser Mechanismus in der Plazenta eine Rolle: Der Sauerstoffmangel treibt Zellen in die Ferroptose, wodurch giftige Substanzen freigesetzt werden, die die Gefäßwände der Mutter schädigen.

Schließlich gibt es ein scheinbares Paradox bei Krebs: Während Sauerstoffmangel gesunde Zellen abtötet, können Krebszellen mehrere Überlebensprogramme aktivieren, die sie vor genau diesem Schicksal schützen. Das macht Tumoren schwerer behandelbar. Diese Eigenschaft liegt nicht im Sauerstoffmangel selbst begründet, sondern darin, wie Krebszellen die Notsignale zu ihrem Vorteil ummünzen.