Biomedizinische Forscher der Texas A&M University berichten, dass sie möglicherweise einen Weg gefunden haben, den mit Schäden und Alterung einhergehenden Verlust an Zellenergie aufzuhalten oder sogar umzukehren. Wenn zukünftige Studien die Ergebnisse bestätigen, könnte diese Entdeckung zu erheblichen Veränderungen in der Behandlung vieler Krankheiten in der Medizin führen.
Ein Rückgang der Mitochondrien kann die Zellen schwächen
Mitochondrien sind kleine, aber äußerst wichtige Bestandteile fast aller Körperzellen und werden oft als die „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet. Sie erzeugen den größten Teil der Energie, die der Körper benötigt, indem sie den Nährstoffabbau in die universelle Energiewährung ATP umwandeln. Neben dieser zentralen Aufgabe spielen sie auch eine wichtige Rolle im Stoffwechsel, etwa beim Abbau von Fettsäuren, und können bei Bedarf sogar Wärme produzieren. Mitochondrien besitzen eine eigene, ausschließlich mütterlich vererbte DNA, was darauf hinweist, dass sie ursprünglich aus eigenständigen Bakterien hervorgegangen sind. Außerdem sind sie an der Steuerung des programmierten Zelltods beteiligt, einem Mechanismus, der wichtig ist, um beschädigte oder gefährliche Zellen zu entfernen. Eine gesunde Lebensweise mit Bewegung, ausgewogener Ernährung, gutem Schlaf und wenig Stress unterstützt ihre Leistungsfähigkeit.
Wenn menschliche Zellen altern oder durch degenerative Erkrankungen wie Alzheimer oder durch schädliche Einflüsse wie Chemotherapeutika geschädigt werden, nimmt ihre Fähigkeit zur Energieerzeugung stetig ab. Ein Hauptgrund dafür ist die abnehmende Anzahl von Mitochondrien, die den größten Teil der von einer Zelle verbrauchten Energie liefern. Ob im Gehirngewebe, im Herzmuskel oder in anderen Organen – ein Rückgang der Mitochondrien führt zu schwächeren, weniger gesunden Zellen, die schließlich ihre wesentlichen Funktionen nicht mehr erfüllen können.
Dr. Akhilesh K. Gaharwar und der Doktorand John Soukar haben zusammen mit Kollegen aus der Abteilung für Biomedizinische Technik eine Technik entwickelt, mit der geschädigte Zellen mit frischen Mitochondrien versorgt werden können. Durch die Auffüllung dieser winzigen Energieproduzenten kann die Methode die Energieproduktion wieder auf das vorherige Niveau bringen und die allgemeine Gesundheit der Zellen erheblich verbessern. Der Rückgang der Mitochondrien wird mit Alterung, Herzerkrankungen und verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Eine Strategie, die die natürliche Fähigkeit des Körpers stärkt, abgenutzte Mitochondrien zu ersetzen, könnte grundsätzlich dazu beitragen, all diese Probleme auf einmal anzugehen.
Nanoflowers verwandeln Stammzellen in Mitochondrien-Spender
Die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Studie kombinierte mikroskopisch kleine, blumenförmige Partikel, sogenannte Nanoflowers, mit Stammzellen. Als die Stammzellen diesen Nanoflowers ausgesetzt wurden, begannen sie, etwa doppelt so viele Mitochondrien wie üblich zu produzieren. Als die gestärkten Stammzellen dann neben beschädigte oder alternde Zellen gesetzt wurden, gaben sie ihre zusätzlichen Mitochondrien an diese benachbarten, geschädigten Zellen weiter. Sobald sie mit neuen Mitochondrien versorgt waren, konnten die zuvor beschädigten Zellen ihre Energieproduktion und normale Aktivität wiederherstellen. Diese wiederbelebten Zellen zeigten nicht nur ein verbessertes Energieniveau, sondern wurden auch widerstandsfähiger gegen den Zelltod, selbst wenn sie später schädlichen Behandlungen wie Chemotherapie ausgesetzt wurden.
„Wir haben gesunde Zellen darauf trainiert, ihre Ersatzbatterien mit schwächeren zu teilen”, sagte Gaharwar, Professor für Biomedizintechnik. „Indem wir die Anzahl der Mitochondrien in den Spenderzellen erhöhen, können wir alternden oder beschädigten Zellen helfen, ihre Vitalität zurückzugewinnen – ohne genetische Veränderungen oder Medikamente.“ Obwohl Zellen von Natur aus in der Lage sind, kleine Mengen an Mitochondrien auszutauschen, transferierten die mit Nanoflowers behandelten Stammzellen, die das Team als mitochondriale Biofabriken bezeichnet, zwei- bis viermal mehr Mitochondrien als unbehandelte Stammzellen. „Die mehrfache Steigerung der Effizienz hat unsere Erwartungen übertroffen“, sagte Soukar, Hauptautor der Studie. „Es ist, als würde man einem alten Elektrogerät einen neuen Akku einbauen. Anstatt sie wegzuwerfen, setzen wir voll aufgeladene Batterien aus gesunden Zellen in kranke Zellen ein.“
Längere Wirkungsdauer von Mitochondrien-Therapien
Forscher haben andere Wege ausprobiert, um die Anzahl der Mitochondrien in den Zellen zu erhöhen, aber diese Ansätze sind oft mit Kompromissen verbunden. Medikamentöse Methoden basieren auf kleinen Molekülen, die die Zellen relativ schnell wieder verlassen, sodass Patienten möglicherweise häufige und wiederholte Behandlungen benötigen, um die Wirkung aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu verbleiben die größeren Nanopartikel (mit einem Durchmesser von etwa 100 Nanometern) in der Zelle und stimulieren die Mitochondrienproduktion weiterhin effektiver. Infolgedessen müssen Therapien, die auf dieser Nanoflower-Technologie basieren, möglicherweise nur etwa einmal im Monat verabreicht werden. „Dies ist ein früher, aber spannender Schritt in Richtung der Regeneration alternder Gewebe mithilfe ihrer eigenen biologischen Mechanismen“, sagte Gaharwar. „Wenn wir dieses natürliche System der Energieverteilung sicher stärken können, könnte es eines Tages dazu beitragen, einige Auswirkungen der Zellalterung zu verlangsamen oder sogar umzukehren.“
Die Nanoflowers werden aus Molybdändisulfid hergestellt, einer anorganischen Verbindung, die in sehr kleinem Maßstab viele verschiedene zweidimensionale Formen bilden kann. Das Gaharwar-Labor gehört zu einer kleinen Gruppe von Forschungsgruppen, die untersuchen, wie Molybdändisulfid für biomedizinische Zwecke eingesetzt werden könnte. Stammzellen spielen bereits eine zentrale Rolle in der Spitzenforschung zur Gewebereparatur und -regeneration. Die Verwendung von Nanoflowers zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Stammzellen könnte ein wichtiger Schritt sein, um diese Zellen in zukünftigen Therapien noch effektiver zu machen.
Vielseitiger Ansatz für zahlreiche Gewebe
Einer der vielversprechendsten Aspekte dieser Technik ist ihre Flexibilität. Obwohl sich die Methode noch in einem frühen Stadium befindet und noch viel mehr Tests erfordert, könnte sie theoretisch zur Behandlung von Funktionsverlusten in vielen verschiedenen Geweben im gesamten Körper eingesetzt werden. „Man könnte die Zellen an jeder beliebigen Stelle im Körper des Patienten einsetzen“, sagte Soukar. „Bei einer Kardiomyopathie könnte man also die Herzzellen direkt behandeln, indem man die Stammzellen direkt in oder in die Nähe des Herzens einbringt.“ Kardiomyopathie ist ein Sammelbegriff für Erkrankungen des Herzmuskels, bei denen die Struktur oder Funktion des Herzmuskels gestört ist. Dadurch kann das Herz das Blut nicht mehr so gut pumpen oder sich nicht richtig entspannen.
Muskeldystrophie ist ein Oberbegriff für eine Gruppe erblich bedingter Muskelerkrankungen, bei denen die Muskeln nach und nach schwächer werden und sich abbauen. Ursache sind Veränderungen (Mutationen) in Genen, die für den Aufbau oder die Stabilität von Muskelzellen wichtig sind. Dadurch können die Muskelzellen ihre normale Funktion nicht mehr aufrechterhalten und gehen mit der Zeit zugrunde. Bei Muskeldystrophie kann man die Stammzellen laut den Forschern direkt in den Muskel injizieren. Die Methode sei äußerst vielversprechend, da sie für eine Vielzahl von Fällen eingesetzt werden kann. Die neuen Erkenntnisse könnten zu neuen Behandlungsmethoden bei unterschiedlichen Krankheiten führen.
Neurowissenschaftler entdecken Immunzellen, die den Alterungsprozess verlangsamen könnten
Andere Forscher haben eine neue Gruppe von T-Helferzellen identifiziert, die vor Alterung zu schützen scheint, indem sie schädliche seneszente Zellen eliminiert. Ihre Präsenz bei Superhundertjährigen lässt vermuten, dass sie ein Schlüssel zur Aufrechterhaltung eines gesünderen, altersgerechten Immunsystems sein könnten.
Prof. Alon Monsonego von der Ben-Gurion-Universität des Negev hat herausgefunden, dass T-Helfer-Lymphozyten, also Immunzellen, die an der Regulierung der Abwehrkräfte des Körpers beteiligt sind, mit zunehmendem Alter ihre Funktion verändern. Diese Veränderungen können das biologische Alter einer Person widerspiegeln, das möglicherweise nicht mit ihrem chronologischen Alter übereinstimmt. Im Rahmen dieser Veränderungen identifizierte das Forschungsteam (die Labore von Prof. Monsonego und Prof. Esti Yeger-Lotem) eine bisher unbekannte Gruppe von T-Helferzellen, die mit zunehmendem Alter häufiger auftreten. Die Bedeutung dieser Entdeckung wurde deutlicher, als eine japanische Studie über Superhundertjährige, also Menschen, die weit über 100 Jahre alt sind, feststellte, dass dieselbe Untergruppe von T-Helferzellen in ihrem Immunsystem reichlich vorhanden war. Prof. Monsonego glaubt, dass diese Zellen dazu beitragen können, eine für die jeweilige Lebensphase einer Person geeignete Immunantwort aufrechtzuerhalten. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Nature Aging veröffentlicht.
Eine spezielle Untergruppe von T-Helferzellen könnte das Geheimnis für ein gesünderes und längeres Leben bergen
Wissenschaftler beschreiben das Altern als einen Prozess, in dem Zellen nach und nach die Fähigkeit verlieren, routinemäßige Schäden zu reparieren. Wenn dies geschieht, zeigt der Körper Anzeichen des Alterns. Seneszente Zellen, die bei ordnungsgemäßer Regulierung natürlich auftreten, werden schädlich, wenn sie sich ansammeln, da sie Entzündungen und Gewebeschäden auslösen können. Die Forscher entdeckten, dass ein Teil der T-Helferzellen, deren Anzahl mit zunehmendem Alter unerwartet ansteigt, über tödliche Fähigkeiten verfügt. Diese Zellen helfen dabei, seneszente Zellen zu entfernen und so deren negative Auswirkungen zu begrenzen. Die Arbeit von Prof. Monsonego zeigte, dass eine Verringerung der Anzahl dieser T-Helferzellen bei Mäusen zu einer schnelleren Alterung der Tiere und einer Verkürzung ihrer Lebensdauer führte. Diese ungewöhnliche und hochspezialisierte Untergruppe von T-Helferzellen nimmt mit zunehmendem Alter weiter zu und scheint eine wichtige Rolle bei der Verlangsamung des Alterungsprozesses zu spielen.
Da sich T-Helferzellen mit zunehmendem Alter verändern und offenbar eine zentrale Rolle beim Alterungsprozess spielen, schlagen Prof. Monosonego und sein Team vor, diese Immunmuster bei Menschen ab 30 Jahren zu überwachen. Eine solche Verfolgung könnte Aufschluss darüber geben, wie schnell jemand biologisch altert, und dabei helfen, frühzeitig Maßnahmen zur Unterstützung eines gesunden Alterns zu ergreifen. Zwischen dem biologischen und dem chronologischen Alter können sich Unterschiede von mehreren Jahrzehnten entwickeln.
„Man sagt, dass wir, um den Alterungsprozess umzukehren und zu „verjüngen”, das Immunsystem auf den Zustand von Menschen in ihren 20ern zurücksetzen müssen. Unsere Forschung zeigt jedoch, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist. Menschen brauchen kein überladenes Immunsystem, sondern eines, das richtig funktioniert und ihrem Lebensabschnitt angemessen ist. Daher könnte eine der „Grundannahmen“ zur Verlangsamung des Alterungsprozesses falsch sein“, sagt Prof. Monsonego. Die neu identifizierten Zellen bieten nicht nur neue Einblicke in den Alterungsprozess, sondern könnten auch für die Diagnostik und zukünftigen Behandlungen von dysreguliertem Altern, Langlebigkeit und altersbedingten Krankheiten von Nutzen sein.