De-Aging

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Forscher verjüngen menschliche Blutzellen um Jahrzehnte

Die Reprogrammierung ausdifferenzierter Körperzellen in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) gilt seit den Arbeiten von Shinya Yamanaka als Meilenstein der regenerativen Medizin. Dabei wird die zelluläre Identität weitgehend zurückgesetzt, sodass wieder Stammzellen entstehen, die sich in zahlreiche unterschiedliche Zelltypen entwickeln können. Gleichzeitig verschwinden wesentliche molekulare Merkmale des Alterns. Für therapeutische Anwendungen ist die vollständige Reprogrammierung allerdings problematisch, weil pluripotente Zellen unter anderem das Risiko einer unkontrollierten Differenzierung und Tumorbildung bergen.

Ein Forschungsteam um die Neurowissenschaftlerin Dr. Lea Jessica Berg und den Stammzellforscher Professor Dr. Oliver Brüstle vom Institut für Rekonstruktive Neurobiologie der Universität Bonn verfolgte deshalb einen anderen Ansatz. Aus Blutproben von 15 Spendern im Alter zwischen null und 101 Jahren wurden zunächst erythroide Vorläuferzellen gewonnen. Anschließend schleusten die Forschenden mithilfe nicht integrierender Sendai-Virus-Vektoren die Transkriptionsfaktoren SOX2 und cMYC ein. Diese beiden Faktoren bewirkten eine direkte Umwandlung der Blutzellen in induzierte neurale Stammzellen (iNSC), ohne dass nach bisherigen Erkenntnissen ein pluripotentes Zwischenstadium durchlaufen wurde. Die Ergebnisse dieser spannenden Arbeit publizierten die Forschenden im Fachjournal »Aging Cell«.

Zur Bestimmung des biologischen Alters analysierten die Forschenden die DNA-Methylierung mithilfe einer etablierten epigenetischen Uhr nach Horvath. Solche Algorithmen nutzen altersabhängige Veränderungen der Methylierung bestimmter CpG-Positionen im Genom, um das epigenetische Alter einer Zelle abzuschätzen.

Das Ergebnis war eindrucksvoll: Bereits in frühen Passagen betrug das gemessene epigenetische Alter der umprogrammierten Zellen durchschnittlich nur noch etwa 13 Prozent des chronologischen Alters ihrer Spender. Nach längerer Kultivierung sank dieser Wert auf ungefähr 5 Prozent oder darunter. Selbst aus den Blutzellen eines 101-jährigen Menschen ließen sich damit neurale Stammzellen gewinnen, deren epigenetisches Profil weitgehend dem sehr junger Zellen entsprach.

Anders als bei der klassischen iPS-Reprogrammierung, bei der die epigenetische Verjüngung innerhalb von etwa 20 Tagen erreicht werden kann, verlief dieser Prozess ausgesprochen langsam. Erst nach ungefähr 50 Tagen waren die meisten altersassoziierten Methylierungsmuster zurückgesetzt. Gerade diese ungewöhnlich lange Zeitspanne eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten, weil sich die molekularen Vorgänge während der Verjüngung schrittweise untersuchen lassen.

Eine weitere überraschende Beobachtung betraf die Bedeutung der Zellteilung. Bislang wurde vermutet, dass die ausgeprägte Verjüngung reprogrammierter Stammzellen wesentlich mit ihrer proliferativen Aktivität zusammenhängt. Die Forschenden hemmten deshalb die Zellvermehrung durch Behandlung mit Glycerol oder Thymidin. Obwohl sich die Proliferationsrate deutlich verringerte, setzte sich die epigenetische Verjüngung nahezu unverändert fort.

Auch nach einer durch den Transkriptionsfaktor NGN2 ausgelösten Differenzierung zu überwiegend postmitotischen Neuronen blieb dieser Prozess erhalten. Die Rücksetzung epigenetischer Altersmerkmale scheint somit nicht zwingend an fortgesetzte Zellteilungen gekoppelt zu sein.

Parallel untersuchte das Team die Genexpression und weitere zelluläre Alterungsmerkmale. Während sich die ursprünglichen Blutzellen jüngerer und älterer Spender in der Expression von 1871 Genen signifikant unterschieden, waren es nach 14 Tagen Reprogrammierung nur noch 20 und in späteren frühen Passagen lediglich zwölf Gene.

Auch typische Alterungsmerkmale wie Veränderungen der Kernlamina, Beeinträchtigungen der Autophagie, mitochondriale Dysfunktionen und Seneszenzmarker waren in den etablierten neuralen Stammzellen weitgehend verschwunden.

Interessanterweise verlief auch die Ausbildung der neuen Zellidentität langsamer als erwartet. Zwar exprimierten die umprogrammierten Zellen bereits nach etwa zwölf Tagen charakteristische neurale Stammzellmarker. Die vollständige Stabilisierung ihrer epigenetischen und transkriptomischen Eigenschaften dauerte jedoch wesentlich länger. Zelluläre Verjüngung und Erwerb einer neuen Zellidentität sind demnach langwierige Prozesse, deren mechanistische Zusammenhänge noch nicht vollständig verstanden sind.

Allerdings darf die ausgeprägte Rücksetzung der epigenetischen Uhr nicht mit einer umfassenden funktionellen Verjüngung gleichgesetzt werden. DNA-Methylierungsuhren bilden nur bestimmte Aspekte des biologischen Alterns ab. Hinzu kommt, dass verschiedene Zelltypen unterschiedliche epigenetische Altersprofile besitzen. Der Wechsel von Blutzellen zu neuralen Stammzellen könnte deshalb einen Teil des gemessenen Effekts erklären. Auch die relativ kleinen Untersuchungsgruppen und mögliche Einflüsse der Kulturbedingungen begrenzen die Aussagekraft.

Für die Longevity-Forschung liegt die eigentliche Bedeutung der Arbeit daher weniger in einer unmittelbar absehbaren Anti-Aging-Therapie als in einem neuen experimentellen Modell. Die langsame, weitgehend proliferationsunabhängige Rücksetzung epigenetischer Altersmerkmale ermöglicht es erstmals, die beteiligten molekularen Mechanismen über einen längeren Zeitraum systematisch zu verfolgen.

Langfristig könnte daraus ein besseres Verständnis entstehen, wie sich altersbedingte Veränderungen in Körperzellen gezielt rückgängig machen lassen, ohne deren Identität vollständig aufzugeben. Bis zu einer therapeutisch nutzbaren Verjüngung menschlicher Gewebe ist es allerdings noch ein weiter Weg.

Dem Magazin »Wired« sagte Brüstle: »Die Hoffnung ist, dass man dies tatsächlich systemisch im gesamten Tier umsetzen kann. Wenn man jedoch daran denkt, dies bei einem Patienten anzuwenden, möchte man sicher sein, dass es sich nicht nur um ein Laborexperiment handelt – es geht also darum, den Mechanismus zu finden.«