Warum Zellen im Alter „falsch“ reagieren

Alternserscheinungen menschlicher Zellen wurzeln tief in ihrem Kern. Wie Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) nachweisen konnten, verändert sich die gepackte Form der DNA, das sogenannte Chromatin, mit zunehmendem Lebensalter. Diese strukturelle Wandlung führt dazu, dass ältere Zellen nicht mehr korrekt auf äußere Reize reagieren. Das kann die Entstehung von Krankheiten begünstigen. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten jedoch die Chance, solche Prozesse künftig einzudämmen und die Gesundheit im Alter zu fördern.

Wenn wir altern, verlieren auch unsere Zellen an Flexibilität; sie stellen die Teilung ein oder reagieren fehlerhaft auf Signale. Die Ursache hierfür liegt im Chromatin des Zellkerns, wie das Team am PSI durch die Analyse von Hautzellen verschiedener Altersgruppen im Labor belegte. Unter der Leitung von G. V. Shivashankar untersuchten die Wissenschaftler mittels Mikroskopie und Molekularbiologie, wie Zellen auf mechanische Spannung und bestimmte Botenstoffe reagieren. Der Vergleich zwischen Proben von Zehnjährigen und 75-jährigen Probanden zeigte, dass die Zellen älterer Menschen deutlich schwächer und verändert auf identische Reize ansprachen.

Dieser Effekt ließ sich direkt auf die veränderte Chromatin-Struktur zurückführen. Da die DNA im Alter anders verpackt ist, können Gene nicht mehr präzise abgelesen werden. Diese Genexpression ist jedoch essenziell für die Produktion lebensnotwendiger Proteine. Verformt sich das Chromatin, werden stattdessen Prozesse in Gang gesetzt, die dem Organismus schaden können.

„Das Chromatin stellt eine Art Filter für mögliche Genexpressionen dar“, erklärt Studienleiter G.V. Shivashankar. „Wenn die Aktivierung der passenden Gene nicht mehr richtig funktioniert, beeinträchtigt dies Prozesse wie etwa die Wundheilung oder Reparaturvorgänge im Gehirn.“

Junge versus alte Zellen

Für ihre Untersuchungen nutzte das Team um Shivashankar Bindegewebszellen, sogenannte Fibroblasten, wobei der Studienleiter betont: „Wir hätten genauso gut Hirn- oder Muskelzellen nehmen können. Diese Mechanismen sind grundsätzlich bei allen Zellen vergleichbar.“ Die Forschenden betetteten die Zellen in eine dreidimensionale Matrix aus Kollagen-Gel ein und setzten dieses mechanischer Spannung aus. Ein Glaskreis verhinderte dabei, dass sich das Gel wie ein Wassertropfen zusammenzog, sodass es über die gesamte Fläche gespannt blieb. Zusätzlich wurde der Wachstumsfaktor TGF-β beigemischt, um die Reaktion der Zellen auf ein biochemisches Signal zu testen. TGF-β ist ein ein Botenstoff, der Zellreifung, Teilung und Immunantworten reguliert.

„Wir konnten beobachten, dass die alten Zellen deutlich schwächer und anders auf das Signal reagierten, obwohl es in beiden Fällen exakt gleich war“, berichtet Yawen Liao. Während die jungen Zellen aktiv gegen die Zugkraft des Rings arbeiteten und ihre Teilungsrate steigerten, zeigten die älteren Zellen diese Reaktion nur in stark abgeschwächter Form. Ein weiterer markanter Unterschied trat nach dem Entfernen der Spannung auf. Die jungen Zellen passten sich flexibel an und lockerten sich wieder, während die alten Zellen in ihrem kontrahierten Zustand verharrten.

Bei der anschließenden Suche nach den molekularen Ursachen analysierten die Wissenschaftler die dreidimensionale Struktur des Chromatins in höchster Auflösung. „Darin lag der entscheidende Unterschied“, sagt Liao. „Das Chromatin scheint sich mit dem Alter gewissermaßen zu öffnen.“ Dies führt dazu, dass Bereiche des Genoms zugänglich werden, die normalerweise fest verdichtet und für den jeweiligen Zelltyp inaktiv sein sollten. „In der Folge kommt es vermehrt zu Fehlaktivierungen: Anstelle der für den jeweiligen Prozess passenden Gene werden immer häufiger ungeeignete Gene abgelesen, was etwa zur Produktion unerwünschter Proteine führt“, so Liao weiter. „Nimmt dies überhand, können daraus Erkrankungen entstehen; unter anderem auch Krebs.“

Chromatinstruktur als Therapieziel: Mit KI und Epigenetik gegen das Altern

In künftigen Studien beabsichtigt das Team zu untersuchen, inwiefern sich diese Erkenntnisse für neuartige Therapieansätze nutzbar machen lassen. „Vielleicht können wir die Form des Chromatins gezielt beeinflussen und verhindern, dass sie sich in dieser Weise verändert“, sagt Shivashankar. „Oder es gelingt, sie wieder in einen jugendähnlichen Zustand zurückzuführen.“ Zwar lasse sich das Altern an sich damit nicht stoppen, doch für spezifische Gewebearten bestünde die Chance, altersbedingte Degenerationsprozesse zu bremsen oder zeitlich hinauszuzögern.

Parallel dazu hat Shivashankar in Kooperation mit weiteren Forschenden ein innovatives Bildgebungsverfahren entwickelt. Dieses nutzt künstliche Intelligenz, um krankhaft veränderte Chromatinstrukturen auf hochauflösenden Aufnahmen präzise zu identifizieren. Die KI analysiert dabei das Chromatin von Blutzellen – welche eine Schlüsselrolle in der Immunantwort einnehmen – und gleicht hunderte Merkmale wie Form, Textur und Lichtspektrum mit gesunden Referenzmustern ab. Diese gesunden Profile werden aktuell in einer umfassenden Datenbank katalogisiert. Die Kombination aus einer solchen technologischen Früherkennung und einer gezielten Beeinflussung der Chromatinstruktur könnte langfristig neue Wege ebnen, um ein gesünderes Altern zu ermöglichen.

Quelle

Paul Scherrer Institut (PSI) (03/2026)