Warum ist das menschliche Gehirn so anfällig für altersbedingte Krankheiten?

Laut einer neuen Studie am Salk Institute in Kalifornien kann eine beeinträchtigte Energieproduktion in älteren Neuronen erklären, warum das menschliche Gehirn so anfällig für altersbedingte Krankheiten ist.

Die Wissenschaftler verwendeten eine neue Strategie, um herauszufinden, dass Zellen älterer Menschen dysfunktionale Mitochondrien - die Kraftwerke von Zellen - und eine geringere Energieproduktion hatten.

Mitochondrien sind dafür verantwortlich, unsere Nahrung in chemische Energie umzuwandeln, die unsere Zellen nutzen können. Defekte in mitochondrialen Genen können zu Krankheiten führen, aber Forscher wissen auch, dass Mitochondrien mit zunehmendem Alter weniger effizient werden und altersbedingte Störungen wie Alzheimer und Parkinson verursachen können.

Die Untersuchung der Auswirkungen des Alterns auf Mitochondrien könnte Forschern helfen, den bekannten Zusammenhang zwischen mitochondrialer Dysfunktion und altersbedingten Gehirnerkrankungen besser zu verstehen.

Die neuen Erkenntnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Zellenberichte.

"Die meisten anderen Methoden verwenden chemische Belastungen der Zellen, um das Altern zu simulieren", sagte der leitende Autor Dr. Rusty Gage, Professor am Salk Laboratory of Genetics. "Unser System hat den Vorteil, dass es zeigt, was mit Mitochondrien passiert, die auf natürliche Weise im menschlichen Körper altern."

Zuvor hatte das Forschungsteam von Gage eine Methode entwickelt, um Hautzellen direkt in Neuronen umzuwandeln (sogenannte induzierte Neuronen oder iNs). Die meisten Techniken zur Erzeugung von Neuronen aus Patientenzellen hängen von einem Zwischenstammzellschritt ab (der sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen erzeugt), der die zellulären Marker des Alterns zurücksetzt. Diese iNs behielten jedoch Zeichen des Alterns bei, einschließlich Veränderungen der Genaktivität und der Zellkerne, berichtete das Team im Jahr 2015.

In der aktuellen Studie wollten die Wissenschaftler untersuchen, ob Mitochondrien in den Zellen auch während des iN-Umwandlungsprozesses Merkmale des Alterns aufweisen. Unter Verwendung von Hautzellen, die Menschen im Alter von 0 bis 89 Jahren entnommen wurden, erstellten die Forscher iNs von jedem Spender und verwendeten dann verschiedene Methoden, um die Mitochondrien jedes Zellsatzes zu untersuchen.

Mitochondrien in den von jeder Person isolierten Hautzellen zeigten nur wenige altersbedingte Veränderungen. Wenn die Zellen jedoch direkt in Neuronen umgewandelt wurden, waren die Mitochondrien älterer Spender signifikant unterschiedlich. Zum Beispiel wurden die mit der Energieerzeugung verbundenen mitochondrialen Gene ausgeschaltet und die Mitochondrien waren weniger dicht, fragmentierter und erzeugten weniger Energie.

"Nahezu jeder Bereich, den wir betrachteten - funktionell, genetisch und morphologisch - wies Mängel auf", sagte Dr. Jerome Mertens, ein Mitarbeiter von Salk und Mitkorrespondent des neuen Papiers.

Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass der Grund, warum die Mitochondrien von iNs stärker vom Altern betroffen waren als die Mitochondrien von Hautzellen, darin bestand, dass Neuronen in Bezug auf Energie stärker von Mitochondrien abhängen.

"Wenn Sie ein altes Auto mit einem schlechten Motor haben, das jeden Tag in Ihrer Garage steht, spielt das keine Rolle", sagte Mertens. "Aber wenn Sie mit diesem Auto pendeln, wird der Motor zu einem großen Problem."

Der Befund zeigt, wie das Altern die Organe im ganzen Körper unterschiedlich beeinflussen kann.

Als nächstes plant das Team, ihre Technik anzuwenden, um altersbedingte Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson zu untersuchen. In früheren Arbeiten wurden mitochondriale Defekte mit diesen Krankheiten in Verbindung gebracht. Durch das Sammeln von Hautzellen von Patienten mit diesen Krankheiten und das Erstellen von iNs kann das Team untersuchen, wie sich neuronale Mitochondrien dieser Patienten von neuronalen Mitochondrien bei nicht betroffenen älteren Personen unterscheiden.

"Es gibt kein anderes menschliches neuronales In-vitro-Modell zur Untersuchung des Alterns", sagte Dr. Yongsung Kim, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter und Erstautor des Papiers. "Die große Erkenntnis aus unserer Arbeit ist, dass wir ein Tool entwickelt haben, mit dem wir das neurologische Altern und altersbedingte Krankheiten untersuchen können."

Quelle: Salk Institute