Endothel Seneszenz in Progerie

Das Alter ist ein wichtiger Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD), umso mehr im Kontext der demografischen Entwicklungen in modernen Gesellschaften. Die Alterung auf zellulärer Ebene, insbesondere jene der die Blutgefäße auskleidenden Endothelzellen (EC), ist ein Hauptfaktor der altersbedingten CVD. Allerdings sind die verantwortlichen molekularen Mechanismen noch wenig verstanden. Viele Aspekte der altersbedingten CVD ähneln jenen, die beim Hutchinson-Gilford Progerie-Syndrom (HGPS) beobachtet werden, einer Erkrankung bei der es zu extrem vorzeitigem Altern kommt. HGPS wird durch eine Mutation im Lamin A-Gen verursacht, die zur Expression eines mutierten Proteins, Progerin, führt. Wir haben ein HGPS-Mausmodell mit selektiver Progerin-Expression im Endothelgewebe (Prog-Tg) etabliert, um molekulare Mechanismen altersbedingter Veränderungen im Endothel und deren Beiträge zu altersbedingten CVD weiter zu untersuchen. Unsere Daten deuten darauf hin, dass das Prog-Tg-Mausmodell die altersbedingte CVD in vielen Aspekten rekapituliert die wohl direkt mit einer Beeinträchtigung der Endothelfunktion zusammenhängt. Auf molekularer Ebene konnten wir unter Bedingungen, die den Blutfluss simulieren, zeigen, dass EC mit Progerin nicht in der Lage waren, entsprechend auf den Fluss des Mediums zu reagieren. Normale Zellen richten sich unter solchen Bedingungen der Flussrichtung nach aus und aktivieren Signalwege, die dazu beitragen, einen gesunden "jugendlichen" Zustand des Endothels aufrechterhalten. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass EC mit Progerin durch eine spezifische "Alterungssignatur" mit Expression typischer Marker des Alterns und erhöhter Sekretion von Komponenten mit negativen systemischen Wirkungen gekennzeichnet sind, wie z.B. Moleküle mit pro-inflammatorischer und genregulatorischer Funktion. Dementsprechend konnten wir im Plasma von Prog-Tg-Mäusen eine Hochregulation einer Reihe ganz bestimmter Mikro-RNAs zeigen, die mit einem erhöhten kardiovaskulären Risiko verbunden sind. Zusammen mit weiteren Daten, die sekretionsabhängige negative Effekte von Prog-Tg auf andere Zellen zeigten, deutet dies auf negative systemische Effekte von solchen mutierten EC. Basierend auf diesen Ergebnissen in Progerin-EC postulieren wir das "Mechano-Aging" Modell, das auch auf normale alternde EC, die einer pathologischen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, übertragbar ist. Dementsprechend verursachen die Anhäufung von Progerin oder mechanische Störungen Aktivierung von Signalwegen, die zu einer beschleunigten Zell-Alterung und Sekretion von altersfördernden Komponenten führen. Im hier beantragten Projekt wollen wir diese molekularen Signalwege des "Mechano-Aging" im Detail entschlüsseln und ganz gezielt die sekretierten Mikro-RNAs sowohl in vitro als auch in vivo in Mäusen mit sogenannten antagomiRs hemmen was für HGPS-, aber möglicherweise auch für geriatrische CVD- Patienten vorteilhafte neue therapeutische Ansätze bieten würde.

In modernen Gesellschaften mit immer älter werdenden Bevölkerungen wird das Alter zu einem Hauptrisikofaktor für Herz-Kreislauf- und Knochenerkrankungen. Im Hinblick auf Letzteres erhöhen Knochenveränderungen im Alter das Risiko für Knochenbrüche bei älteren Menschen, was wiederum das Risiko für die Entwicklung anderer Komorbiditäten erhöht. In den letzten Jahren haben geschädigte, sich nicht teilende, seneszente Zellen als Auslöser altersbedingter Krankheiten an Bedeutung gewonnen. Neue Daten deuten jedoch auf eine hohe Heterogenität verschiedener seneszenter Zelltypen und bisher weitgehend unbekannte zelltypspezifische Effekte in vivo im Organismus hin. Darüber hinaus fehlt weitgehend eine eindeutige Identifizierung und Charakterisierung seneszenter Zellen in vivo. Der Hauptschwerpunkt dieses Projekts lag auf der Seneszenz von Endothelzellen, die Blutgefäße auskleiden, und auf der Frage, wie diese Zellen in einem In-vivo-System verschiedene Gewebe beeinflussen. Mithilfe eines gentechnisch veränderten Ansatzes zur Einführung der vorzeitigen Alterungskrankheit, des Hutchinson-Gilford-Progerie-Syndroms (HGPS) in Endothelzellen, konnten wir durch die Anwendung verschiedener Methoden die Existenz seneszenter Endothelzellen in verschiedenen Organen, wie Lunge, Herz, Leber und Knochenmark nachweisen. Transkriptome und -Sekretome Analyse des seneszenten Endothels konnte eine Hochregulierung des typischen Seneszenz-Assoziierten Sekretorischen Phänotyps (SASP) wie Fibrose, Entzündung und regulierender microRNA-Elemente zeigen. Diese Ergebnisse ermöglichten es uns, mehr Licht auf der mechanistischen Ebene auf unsere früheren Daten zu werfen, die zeigten, dass endotheliale Dysfunktion zu fibrotischen Veränderungen und diastolischer Dysfunktion bei altersbedingten Herz-Kreislauf-Erkrankungen beiträgt. Wichtig ist, dass wir die Ansammlung alternder Endothelzellen mit der Entwicklung altersbedingter Veränderungen im Herzen in Verbindung bringen konnten. Darüber hinaus konnten wir in Übereinstimmung mit der hohen Ansammlung alternder Endothelzellen im Knochenmark eine verringerte Knochenbildungsfähigkeit der Knochenvorläuferzellen und einer Ausdünnung des kortikalen Knochens nachweisen. Dies verdeutlicht einen neuen Zusammenhang, nämlich zwischen den gealterten Blutgefäßen und den altersbedingten Knochenveränderungen. Schließlich wendeten wir einen Ansatz, der auf antagomiR-vermittelten Inhibierung von microRNAs basiert, um die Seneszenz des Endothels und SASP entgegenzuwirken. Hauptangriffspunkte waren microRNAs, die sich im Kreislauf sowie in seneszenten Endothelzellen hochreguliert befanden, miR34a-5p und miR31-5p. Wir konnten zeigen, dass die Behandlung seneszenter Endothelzellen mit antmiR34a-5p deutlich Seneszenzphänotyp unterdrückte. Andererseits zeigten antmiR31-5p-Wirkstoffe große Erfolge bei der Steigerung der osteogenen Kapazität von Knochenvorläuferzellen. Insgesamt liefert diese Studie neue Einblicke in molekulare Prozesse, die zur Alterung von Blutgefäßen führen, und ebnet den Weg für die Entwicklung neuer microRNA-basierter Therapien für altersbedingte Herz-Kreislauf- und Knochenerkrankungen bei älteren Menschen und HGPS-Patienten.