Egal, ob komplex oder Einzeller, alle Organismen folgen einem gemeinsamen Lebenszyklus. Beim Menschen beginnt dieser Zyklus bereits im Mutterleib und endet – sofern er nicht unterbrochen wird – mit dem „natürlichen Tod“ (d. h. dem Tod durch eine oder mehrere mit dem Alter verbundene Krankheiten). Nach dem heutigen Stand des Wissens und der Medizintechnik werden Menschen in Europa im Durchschnitt 81,3 Jahre alt – eine Zahl, die in Zukunft vermutlich um weitere Jahre oder Jahrzehnte, wenn nicht sogar Jahrhunderte ansteigen wird. Doch um dieses Ziel erreichen zu können, müssen wir nicht nur Krankheiten heilen können, die den Tod herbeiführen, sondern auch genau verstehen, wie das Altern funktioniert. Werfen wir also einen Blick darauf, was mit unserem Körper passiert, wenn wir altern.

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9 Merkmale des Alterns

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Altern ist ein sehr komplexer, fortschreitender Prozess, der dazu führt, dass ein Organismus (in unserem Fall ein Mensch) in seinen Funktionen beeinträchtigt wird, wodurch seine Anfälligkeit für den Tod größer wird. Vor allem bei den häufigsten Todesursachen, wie Herzkrankheiten und Krebs steht das Alter ganz oben auf der Liste.

In den letzten Jahrzehnten hat die Altersforschung einen beispiellosen Fortschritt verzeichnen können, insbesondere durch die Entdeckung, dass Altern zumindest bis zu einem gewissen Grad durch genetische Pfade und biochemische Prozesse gesteuert wird. Verschiedene Forschungsarbeiten haben 9 Merkmale herausgearbeitet, die den gemeinsamen Nenner des Alterns in verschiedenen Organismen darstellen. Die Beziehungen zwischen diesen Merkmalen sind eng miteinander verknüpft, und das Ziel der künftigen Medizintechnik wird es sein, diese Zusammenhänge zu verstehen und alle verschiedenen Aspekte des Alterns anzugehen. 

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Genomische Instabilität

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Jede einzelne Zelle in unserem Körper (und wir haben Milliarden und Abermilliarden davon), enthält einen kompletten Befehlssatz, mit dem man uns von Grund auf neu erschaffen könnte. Dieser Befehlssatz wird Genom genannt und besteht aus Nukleotidsequenzen der DNA. Unser Genom enthält u. a. Anweisungen für die Herstellung von Proteinen, die für das reibungslose Funktionieren unserer Zellen unerlässlich sind.

Normalerweise teilen sich unsere Körperzellen in zwei genetisch identische Zellen. Dabei wird das genetische Material repliziert und eventuelle Fehler oder Schäden werden repariert. Da dieser Prozess jedoch nicht perfekt ist, können bei der Zellteilung Mutationen auftreten. Da unser Körper jedoch zum Glück über körpereigene DNA-Reparaturmechanismenverfügt, womit die meisten dieser Fehler und andere DNA-Schäden, die durch äußere genotoxische Faktoren (wie z. B. ultraviolette Strahlung) verursacht werden, behoben werden können.

Nun treten diese Mutationen während unseres gesamten Lebens auf. Das Problem dabei ist, dass unser Reparaturmechanismus mit zunehmendem Alter schwächer wird und Mutationen nicht mehr effizient reparieren kann. Und wenn es während der Zellteilung zu einer erhöhten Tendenz von Genomveränderungen kommt, spricht man von genomischer Instabilität.
Das mutierte Genom kann defekte Proteine produzieren, wodurch dysfunktionale Zellen entstehen, die im Laufe der Jahre immer mehr werden.

Eine einzelne defekte Zelle ist zwar nicht problematisch, aber wenn es viele davon im selben Gewebe gibt, können sie die Funktionalität des gesamten Gewebes beeinträchtigen. Wenn wir also einen Weg finden können, wie unsere DNA-Reparaturmechanismen mit zunehmendem Alter nicht mehr schwächer werden oder spezifische Medikamente dafür entwickelt werden, könnten wir die genomische Instabilität überwinden.

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Verschleiß der Telomere

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Hast du schon einmal von Telomeren gehört? Telomere sind „Wegwerf“-Teile der DNA, die keine nützlichen genetischen Informationen enthalten. Sie befinden sich am Ende der Chromosomen (bei DNA, die sich im Zellkern jeder unserer Zellen befindet).

Vor allem bei der Zellreplikation spielen Telomere eine wichtige Rolle. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle repliziert, geht ein kleiner Teil der äußeren DNA-Stränge, die Telomere, verloren. Gäbe es diese Telomere nicht, würde sich stattdessen der Hauptteil des Chromosoms verkürzen und lebenswichtige Gene würden verloren gehen. Diese Verkürzung der Telomere nach jeder Zellteilung wird Telomerabrieb genannt.

Da nach jeder Replikation ein Teil der Telomere verloren geht, haben die neuen Chromosomen immer kürzere Telomere. Irgendwann ist unsere dann DNA ungeschützt und Zellen können sich nicht mehr duplizieren. Und sobald eine Zelle sich nicht mehr replizieren kann, wird sie seneszent oder tötet sich selbst. Aufgrund dieser Abnutzung der Telomere ist unser Körper irgendwann nicht mehr in der Lage, neue Zellen zu bilden und Krankheiten zu bekämpfen.

Es könnte jedoch Lösungen für den Telomerabrieb geben.

• Zunächst einmal produzieren unsere Stammzellen (Zellen, die keine spezialisierte Funktion haben) ein Enzym namens Telomerase, das die bei der Zellteilung verloren gegangenen Teile - bzw. Telomere - wieder aufbaut. Spezialisierte Zellen können dieses nützliche Enzym nicht selbst produzieren, aber könnten durch eine Telomerase-Therapie aktiviert werden. Und genau daran arbeitet das Unternehmen Telocyte: Mit Hilfe von Telomerase werden die Telomere von Gehirnzellen, die aufgrund von Alzheimer nicht mehr funktionieren, wieder aufgebaut.
• Zweitens können Krebszellen ihre Telomere unendlich oft rekonstruieren. Wir wissen nicht genau, wie sie das tun, aber wenn wir den Mechanismus verstehen würden, könnten wir ihn vielleicht für unsere eigenen Zellen nachahmen.

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Epigenetische Veränderungen

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Wie oben bereits erwähnt, enthalten alle Zellen in unserem Körper, unabhängig von ihrer Funktion, dasselbe Genom. Dennoch haben unsere Zellen verschiedene Aufgaben und erfüllen unterschiedliche Funktionen (z. B. Gehirnzellen und Muskelzellen). Doch wie ist das möglich?

Die Antwort ist in den so genannten epigenetischen Veränderungen zu finden. Dabei handelt es sich um umkehrbare Veränderungen (verursacht durch chemische Verbindungen), die bestimmte Teile unserer DNA aktivieren und deaktivieren, ohne die genetische Codesequenz zu verändern. Obwohl alle Zellen dasselbe Genom haben, verfügen spezialisierte Zellen über unterschiedliche Epigenome, die die Produktion bestimmter Proteine beeinflussen und deren Funktion der Zellen bestimmen. Epigenetische Veränderungen kommen im menschlichen Körper ganz normal vor. So werden wir beispielsweise mit einer großen Anzahl von Stammzellen geboren, die sich auf verschiedene Gewebe spezialisieren, indem sie die in den DNA-Strängen enthaltenen Gene entweder aktivieren oder nicht aktivieren.

Im Verlauf der Jahre können dann verschiedene externe Faktoren – wie Nährstoffe, Umweltverschmutzung, Giftstoffe (Rauch), Stress und Entzündungen – epigenomische Veränderungen auslösen. Dadurch werden Gene, die eigentlich inaktiv sein sollten, aktiviert und umgekehrt, was zu Fehlfunktionen in den Zellen führt.

Zum Glück gibt es vielleicht eine Möglichkeit, diese epigenetischen Veränderungen zu beseitigen und das Genom wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen: Im Jahr 2016 gelang es Wissenschaftlern des Salk-Instituts, das Epigenom von Mäusen zurückzusetzen, indem sie einen Chemie-Cocktail namens Yamanaka-Faktoren verabreichten. Dieses Verfahren kann spezialisierte Zellen in unspezialisierte Stammzellen verwandeln und ihr Epigenom zurücksetzen. Könnten wir etwa ein ähnliches Verfahren anwenden, um menschliche Zellen zu verjüngen?

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Verlust der Proteostase

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Mit Hilfe von Proteinen können unsere Zellen alles tun: die Umwelt wahrnehmen, Nahrung verdauen, einen Muskel anspannen, elektrische Signale senden usw.

Was wir als Verlust der Proteostase definieren, ist eine jahrelange Anhäufung von geschädigten Proteinen, sowohl innerhalb als auch außerhalb unserer Zellen. Unsere körpereigenen Reparaturmechanismen können leider nicht viel tun, um diese beschädigten Proteine zu reparieren, so dass ihre Anhäufung zu Alzheimer, Parkinson, Stoffwechselstörungen und Herzversagen führen kann.

Und wie können wir dieses Problem beheben? Dazu gibt es 3 Ansätze:

• Verlangsamung der Anhäufung geschädigter Proteine.
• Den negativen Auswirkungen entgegenwirken.
• Zerstörung oder Entfernung dieser Proteine.

Für jeden dieser Ansätze gibt es mehrere Studien. Ein erfolgreiches Beispiel für den letzten Ansatz wurde in einer kürzlich durchgeführten Studie von Griflos zum Thema Alzheimer-Management by Albumin-Ersatz ("AMBAR") zur Behandlung von Alzheimer angewandt. In dieser Studie entnahmen die Forscher den Patienten Blut und reinigten es von Abfallstoffen und einem der geschädigten Proteine (Amyloid beta), die diese Krankheit verursachen. Nach einer erneuten Injektion führte das gereinigte Blut dann dieses schädliche Protein aus dem Gehirn ab und verlangsamte somit das Fortschreiten der Krankheit um 50%. Auch wenn diese Technik keine endgültige Lösung darstellt, zeigt sie doch, dass medizinische Verfahren und Medikamente dazu beitragen können, den Verlust der Proteostase zu bekämpfen.

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Deregulierte Nährstoffwahrnehmung

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Um zu funktionieren, benötigen alle Zellen in unserem Körper Nährstoffe, die aus der Nahrung aufgenommen werden. Dazu verfügen unsere Zellen über spezifische Mechanismen, womit sie erkennen, wann Nährstoffe im Überfluss vorhanden sind (und Zellen ihr Wachstum und ihren Stoffwechsel beschleunigen) und wann sie knapp sind (und es daher an der Zeit ist, das Tempo zu drosseln).

Außerdem tragen diese Mechanismen dazu bei, den Nährstoffgehalt in unserem Blutkreislauf in einem gesunden Rahmen zu halten. Somit reagieren die Zellen der Bauchspeicheldrüse auf einen ansteigenden Blutzuckerspiegel zum Beispiel mit der Ausschüttung des Hormons Insulin, das den Zellen signalisiert, den Zucker aus dem Blut aufzunehmen. Täten sie das nicht, würde die hohe Zuckermenge mehrere Organe schädigen. Wenn wir altern, beginnen diese Erkennungsmechanismen allmählich zu versagen (und werden zu den Ursachen von altersbedingter Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes und Stoffwechselkrankheiten).

Wenn wir diesen Mechanismen zur Erkennung von Nährstoffen besser verstehen würden, könnten wir möglicherweise unsere Lebensspanne und Gesundheit verlängern. Die Aktivität unserer Zellen könnte dann mit spezifischen Medikamenten reguliert werden, so dass die Stoffwechselrate sinkt und damit auch das Ausmaß der im Laufe der Jahre angesammelten Schäden.

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Mitochondriale Dysfunktion

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Sobald Nährstoffe in unsere Zellen gelangen, werden sie von kleinen Organellen namens Mitochondrien in Energie umgewandelt, mit der die Zellen arbeiten und überleben können. Diese Energie wird als Adenosintriphosphat oder ATP bezeichnet, weshalb die Mitochondrien auch als unsere „Kraftwerke“ der Zellen gelten. Mitochondrien verfügen über ihre eigene DNA, die sich von der DNA im Zellkern unterscheidet und bei der Proteinbildung hilft, die für ihre spezifische Funktion benötigt wird.

Eine mitochondriale Dysfunktion kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden. Wenn eine Membranstruktur der Mitochondrien verändert ist, die auf der Membran befindlichen Proteine beschädigt werden oder die mitochondriale DNA angegriffen wird, sind die Mitochondrien nicht in der Lage, die notwendige Energie (ATP) für das Funktionieren der Zellen zu produzieren. Und wenn die Funktion der Mitochondrien nachlässt, können sich auch die Zellen und ganze Organe verschlechtern (was zu Krankheiten wie Diabetes, Taubheit, Blindheit und neuronalen Störungen wie Alzheimer und Parkinson führt).

Nun verfügt unser Körper jedoch über seine körpereigenen Reparaturmechanismen – doch die sind für die Reparatur beschädigter Mitochondrien oft nicht sehr effektiv. Wie bei allen Merkmalen des Alterns werden auch hier verschiedene Studien durchgeführt, um mögliche Lösungen zu finden, mit denen wir unsere Lebensspanne verlängern können. Ein Medikament gegen mitochondriale Dysfunktion, das sich derzeit in einem frühen Stadium der Erprobung am Menschen befindet, heißt J147. Ziel dieses Medikaments ist es, die Energieproduktion der Mitochondrien so zu optimieren, dass sie auch bei einer Verringerung noch für das Funktionieren der Zellen ausreicht.

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Zelluläre Seneszenz

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Wenn wir altern, altern unsere Zellen mit uns. Doch nach rund 50 Replikationen beginnen unsere Zellen allmählich zu zerfallen und verlieren ihre Funktion. Darüber hinaus können verschiedene Stressfaktoren wie DNA-Schäden, epigenetische Veränderungen, Rauch und ultraviolette Strahlung eine zelluläre Seneszenz auslösen.

Wenn unsere Telomere erschöpft sind, können sich unsere Zellen nicht mehr teilen und warten auf Reparaturmechanismen. Doch wenn diese Mechanismen nicht dazu in der Lage sind (was mit zunehmendem Alter häufiger vorkommt), sterben die Zellen ab oder werden seneszent.

Wenn wir jung sind, helfen uns seneszente Zellen bei der Gewebereparatur und Wundregeneration und schützen uns vor Krebs. Doch mit einer Anhäufung über viele Jahre beginnen sie, benachbarte Zellen zu schädigen. Seneszente Zellen produzieren chemische Stoffe, die Entzündungen verursachen, das Zellwachstum beeinträchtigen und Gene in der DNA anderer Zellen aktivieren und deaktivieren können.

Also: Gibt es eine Möglichkeit, seneszente Zellen zu zerstören ohne gesunde Zellen zu schädigen? In den letzten Jahren haben Wissenschaftler mehrere zellzerstörende Medikamente, so genannte Senolytika, entwickelt. Die meisten dieser Medikamente befinden sich zwar noch im Anfangsstadium, aber wir können optimistisch sein, dass es bald ein Mittel gegen die Zellseneszenz geben wird.

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Stammzellenerschöpfung

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Unser Körper braucht ständig neue Zellen. Um diesen Bedarf zu decken, teilen sich unsere Zellen mehrmals in identische Exemplare. Wie bereits erwähnt sind diese Teilungen bei spezialisierten Zellen aufgrund der Abnutzung der Telomere begrenzt. In Stammzellen ist eine Replikation dank des Enzyms Telomerase, das die Telomere wieder auffüllt, jedoch nahezu unbegrenzt.

Leider beeinträchtigen mehrere Merkmale des Alterns unsere Verfügbarkeit und Aktivität von Stammzellen, was zur sogenannten Verfügbarkeit und Aktivität von Stammzellen führt. So kann beispielsweise eine Anhäufung von DNA-Schäden dazu führen, dass Blutstammzellen weniger effizient arbeiten. Und wenn die Anzahl der Stammzellen allmählich zurückgeht, entstehen verschiedenen Krankheiten und Beschwerden wie Gebrechlichkeit, Muskelschwund, Osteoporose, Anämie und schlechte Immunfunktion.

Derzeit gibt es mehrere Stammzellentherapien, die durch eine Injektion von Stammzellen das Auftreten von Krankheiten verhindern und sogar die Bildung von neuem Gewebe in den erkrankten Organen fördern können.

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Gestörte interzelluläre Kommunikation

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Kommen wir nun zum letzten Merkmal des Alterns. Organe, Gewebe und Systeme - alles, woraus unser menschlicher Körper besteht, ist miteinander verbunden, sodass jede Funktion voneinander abhängig ist und sich gegenseitig beeinflusst. Damit unser Körper also miteinander kommunizieren und effizient arbeiten kann, nutzen unsere Zellen ein Netz aus chemischen Signalen, über das wir derzeit noch sehr wenig wissen.

Eine veränderte interzelluläre Kommunikation führt zu Veränderungen in diesem Kommunikationssystem. Ein erstes Anzeichen für diese veränderte Kommunikation ist die altersbedingte chronische Entzündung, die zur Entstehung von Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes beitragen kann. Außerdem kann eine chronische Entzündung die Aktivität unserer Stammzellen negativ beeinflussen und das Immunsystem hemmen.

Erschwerend kommt hinzu, dass seneszente Zellen auch Chemikalien produzieren, die Entzündungen verstärken. Da all diese Probleme eng miteinander verbunden sind, würde eine Lösung für die zelluläre Seneszenz auch die Situation bei chronischen Entzündungen verbessern.

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Fazit

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Unser Altern besteht aus vielen miteinander verknüpften Prozessen. Diese Komplexität scheint zwar ein negatives Merkmal beim Verständnis der Funktionsweise des Alterns zu sein, skann aber auch zu unserem Vorteil genutzt werden. Wenn wir nämlich Lösungen für eines dieser Merkmale finden, würde sich dies auch positiv auf die anderen Merkmale auswirken.

Derzeit macht Medizintechnik enorme Fortschritte bei der Entdeckung von Lösungen gegen das Altern; Lösungen, mit denen wir in Zukunft vielleicht viel länger leben können.

Wenn du miterleben möchtest, was die Zukunft für uns bereithält, kannst du dich hier anmelden und uns auf dieser Reise begleiten! Und wenn du Fragen zu Biostasis hast, kannst du gerne einen Termin mit uns vereinbaren.