Alterungsprozess umkehren: Forscher des Babraham Instituts in Cambridge haben ein neues Verfahren zur Verjüngung von Hautzellen entwickelt. Mit dieser Technik ist es den Wissenschaftlern gelungen, die zelluläre biologische Uhr nach molekularen Maßstäben um etwa 30 Jahre zurückzudrehen.
Die teilweise verjüngten Zellen zeigten in Experimenten, die eine Hautwunde simulierten, Anzeichen, sich wie jugendliche Zellen zu verhalten.
Die in der Fachzeitschrift eLife veröffentlichte Forschungsarbeit befindet sich zwar noch in einem frühen Stadium der Erforschung, könnte aber die regenerative Medizin revolutionieren.
Was ist regenerative Medizin?
Die Funktionsfähigkeit der menschlichen Zellen nimmt mit zunehmendem Alter ab, und das Genom weist Alterungsspuren auf. Die Regenerationsbiologie zielt darauf ab, Zellen zu reparieren oder zu ersetzen, auch alte Zellen.
Eines der wichtigsten Instrumente der Regenerationsbiologie ist unsere Fähigkeit, sogenannte induzierte“ Stammzellen zu erzeugen.
Dieser Prozess ist das Ergebnis mehrerer Schritte, bei denen jeweils einige der Merkmale, die die Zellen spezialisieren, gelöscht werden. Theoretisch haben diese Stammzellen das Potenzial, sich in jeden Zelltyp zu verwandeln, aber die Wissenschaftler sind noch nicht in der Lage, die Bedingungen für die Neudifferenzierung von Stammzellen in alle Zelltypen zuverlässig zu reproduzieren.
Die biologische Uhr zurückdrehen
Bei der neuen Methode, die auf der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Technik zur Herstellung von Stammzellen basiert, wird das Problem der vollständigen Löschung der Zellidentität überwunden, indem die Reprogrammierung auf einem Teil des Prozesses angehalten wird.
Auf diese Weise konnten die Forscher ein genaues Gleichgewicht zwischen der Reprogrammierung der Zellen und ihrer biologischen Verjüngung bei gleichzeitiger Wiederherstellung ihrer spezialisierten Zellfunktionen finden.
Als erstem Wissenschaftler gelang es Shinya Yamanaka 2007, normale Zellen, die eine bestimmte Funktion haben, in Stammzellen zu verwandeln, die die besondere Fähigkeit haben, sich in jeden Zelltyp zu entwickeln.
Der vollständige Prozess der Reprogrammierung von Stammzellen dauert etwa 50 Tage und erfordert vier Schlüsselmoleküle, die so genannten Yamanaka-Faktoren.
Mit der neuen Methode, der so genannten transienten Reprogrammierung in der Reifungsphase, werden die Zellen den Yamanaka-Faktoren nur 13 Tage lang ausgesetzt.
Zu diesem Zeitpunkt sind die altersbedingten Veränderungen beseitigt und die Zellen haben vorübergehend ihre Identität verloren. Die zum Teil umprogrammierten Zellen wurden unter normalen Bedingungen gezüchtet, um zu beobachten, ob ihre spezifische Funktion als Hautzellen zurückkehrte.
Die Genomanalyse zeigte, dass die Zellen die für Hautzellen (Fibroblasten) charakteristischen Marker wiedererlangt hatten, und dies wurde durch die Beobachtung der Kollagenproduktion in den umprogrammierten Zellen bestätigt.
Mögliche Anwendungen
Die Forscher untersuchten mehrere Messgrößen für das zelluläre Alter. Der erste ist die epigenetische Uhr, bei der chemische Markierungen im gesamten Genom das Alter anzeigen.
Der zweite ist das Transkriptom, das heißt die Gesamtheit der von der Zelle produzierten Genabschriften. Nach diesen beiden Messgrößen entsprachen die umprogrammierten Zellen dem Profil von Zellen, die im Vergleich zu Referenzdatensätzen 30 Jahre jünger waren.
Die möglichen Anwendungen dieser Technik hängen davon ab, dass die Zellen nicht nur jünger wirken, sondern auch wie junge Zellen funktionieren. Fibroblasten produzieren Kollagen, ein Molekül, das in Knochen, Haut, Sehnen und Bändern vorkommt und dazu beiträgt, dem Gewebe Struktur zu verleihen und Wunden zu heilen.
Die verjüngten Fibroblasten produzierten mehr Kollagenproteine im Vergleich zu Kontrollzellen, die nicht umprogrammiert wurden. Fibroblasten wandern auch in Bereiche, die repariert werden müssen.
Um die teilweise verjüngten Zellen zu testen, erzeugten die Forscher einen künstlichen Schnitt in einer Zellschicht in einer Schale. Dabei stellte sich heraus, dass die behandelten Fibroblasten schneller in die Lücke wanderten als ältere Zellen.
Dies ist ein vielversprechendes Zeichen dafür, dass diese Forschung eines Tages dazu genutzt werden könnte, Zellen zu schaffen, die besser in der Lage sind, Wunden zu heilen.
Diese Forschung könnte zukünftig auch andere therapeutische Möglichkeiten eröffnen; die Forscher beobachteten, dass ihre Methode auch Auswirkungen auf andere Gene hatte, die mit altersbedingten Krankheiten und Symptomen in Verbindung stehen.
Das APBA2-Gen, das mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wird, und das MAF-Gen, das bei der Entstehung des Grauen Stars eine Rolle spielt, zeigten beide Veränderungen in Richtung jugendlicher Transkription.
Die Mechanismen, die hinter der erfolgreichen vorübergehenden Umprogrammierung stehen, sind noch nicht vollständig geklärt und stellen das nächste Teil des Puzzles dar, das es zu erforschen gilt.
Die Forscher vermuten, dass Schlüsselbereiche des Genoms, die an der Gestaltung der Zellidentität beteiligt sind, dem Reprogrammierungsprozess entgehen könnten.
Das Babraham Institut ist eine Forschungseinrichtung für Biowissenschaften und eine Partnerorganisation der University of Cambridge.
Quellen: Babraham Institute / Diljeet Gill, Aled Parry, Fátima Santos, Hanneke Okkenhaug, Christopher D Todd, Irene Hernando-Herraez, Thomas M Stubbs, Inês Milagre, Wolf Reik. Multi-omic rejuvenation of human cells by maturation phase transient reprogramming. eLife, 2022; 11 DOI: 10.7554/eLife.71624
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