Die Rolle von Valproinsäure im Alterungsprozess

Altern wird aus biologischer Sicht als eine im Lauf des Lebens zunehmende Anhäufung von degenerativen Veränderungen definiert, die zu Fehlfunktionen der Organe und schließlich zum Tod führt. Die Suche nach Methoden den Alterungsprozess aufzuhalten oder zu verlangsamen ist vermutlich so alt wie die Menschheitsgeschichte selbst. Während die moderne Gesellschaft eine Fülle von Verbesserungen hervorgebracht hat um die Lebenserwartung zu erhöhen, gibt es noch keine pharmakologischen Wirkstoffe, von denen nachgewiesen wurde, dass sie das Altern des Menschen verzögern. In letzter Zeit gibt es auch vermehrt Hinweise darauf, dass Altern nicht nur ein genetischer Prozess ist, sondern dass auch epigenetische Faktoren eine Auswirkung auf den Alterungsprozess haben können. Unter Epigenetik versteht man vererbbare Änderungen des Erbguts, die nicht auf Mutationen in der DNA Sequenz beruhen. Der Alterungsprozess ist mit tiefgreifenden Veränderungen im Epigenom verbunden, die zu Veränderungen der Genexpression, der epigenetischen Landschaft und der Genomarchitektur führen. Der Einfluss von epigenetischen Veränderungen auf den Alterungsprozess konnte kürzlich in einem Fadenwurm Experiment bestätigt werden, da die Behandlung mit einem epigenetischen Wirkstoff sowohl die durchschnittliche als auch die maximale Lebensdauer signifikant verlängerte. Ob diese lebensverlängernde Wirkung nach Gabe von epigenetischen Substanzen auch im Wirbeltier reproduziert werden kann, ist eine zentrale Frage des vorliegenden Projekts. Ein großes Hindernis den Alterungsprozess direkt im Menschen zu untersuchen ist dessen lange Lebenszeit und der damit verbundene langsame Vorgang des Alterns. Daher sind Tiermodelle, die sowohl kurzlebig als auch experimentell zugänglich sind, für die Altersforschung von entscheidender Bedeutung. Der afrikanische Killifisch Nothobranchius furzeri ist die Wirbeltierart mit der am kürzesten beschriebenen Lebensspanne und wurde daher als perfekt geeigneter, neuer Modellorganismus zur Erforschung des Alterungsprozesses vorgeschlagen. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit der Erforschung von epigenetischen Wirkstoffen auf den Alterungsprozess im Modelsystem Nothobranchius furzeri und untersucht ob die Behandlung mit epigenetischen Wirkstoffen auch im Wirbeltiersystem in einer Verlängerung der Lebenspanne resultiert. Im ersten spezifischen Ziel des Projekts untersuchen wir mit Transkriptomsequenzierung die Frage, ob sich die Behandlung mit einer epigenetischen Substanz auf die Genexpression auswirkt. Im zweiten Teil des Projekts werden wir mittels histologischer Untersuchungen an Geweben der Fische prüfen, ob dieses verzögerte Altern nach Behandlung auch bildgebend dargestellt werden kann. Somit folgt die Strategie unseres Projektes einem sich in der Medizin abzeichnendem Paradigmenwechsel, wobei der Alterungsprozess als solcher präventiv behandelt wird und nicht eine einzelne Krankheit.

Die Schlüsselfrage dieses Projekts war, ob die Verabreichung eines epigenetischen Medikaments eine geroprotektive Wirkung im Wirbeltiersystem ausübt und dadurch das Leben und die Gesundheitsspanne verlängert. Wir zeigen, dass die Verabreichung des epigenetischen Wirkstoffs Valproinsäure (VPA) sowohl die durchschnittliche als auch die maximale Lebensspanne des Wirbeltier-Forschungsmodells Nothobranchius furzeri deutlich verlängert. Der afrikanische türkisfarbene Killifisch Nothobranchius furzeri ist derzeit das am kürzesten lebende Wirbeltier, das in Gefangenschaft gezüchtet werden kann, und damit ein ideal geeigneter neuer Modellorganismus zur Untersuchung des Alterns von Wirbeltieren und altersbedingter Krankheiten. Zunächst führten wir bei N. furzeri eine Dosis-Wirkungs-Analyse durch, um den potenziell wirksamen Bereich von VPA zu charakterisieren und die optimale Konzentration für eine Verlängerung der Lebensspanne zu ermitteln. Wir stellten fest, dass eine Konzentration von 0,25 mM VPA die Lebensspanne am wirksamsten verlängerte. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Frage, zu welchem Zeitpunkt während des Lebenszyklus eine Anti-Aging-Intervention mit VPA zu einem lebensverlängernden Effekt führen könnte. Da die Inzidenz altersbedingter Krankheiten nach der Lebensmitte deutlich zunimmt, haben wir ein spät beginnendes Protokoll durchgeführt, bei dem die VPA-Verabreichung in der zehnten Lebenswoche der adulten Killifische begann, was in etwa der 90%igen Überlebensrate unserer Killifischkolonie entspricht. In dieser Studie führte eine im mittleren Alter begonnene VPA-Behandlung zu einer hoch signifikanten (**** p = < 0,0001) lebensverlängernden Wirkung. Insbesondere wurde die mittlere und maximale Überlebensrate um 30 % bzw. 28,5 % erhöht. Im Hinblick auf die In-vivo-Reaktionskinetik, die auf epigenetische Veränderungen hinweist, führte die Verabreichung der geroprotektiven Konzentration von 0,25 mM VPA über das Systemwasser innerhalb der ersten 24 Stunden zu einer Histon-Hyperacetylierung, was auf ein schnell reagierendes Transkriptom hindeutet. Um Signaturen der Genexpression zu identifizieren, die mit der Langlebigkeit in Zusammenhang stehen, und um zwischen unmittelbaren und langfristigen Auswirkungen der VPA-Behandlung zu unterscheiden, haben wir als Nächstes ein aufwändiges Transkriptom-Profiling-Experiment durchgeführt, bei dem wir ein Protokoll für eine spät beginnende VPA-Verabreichung von biologischen Proben aus der zweiten Hälfte der Killifisch-Lebensspanne verwendeten, einschließlich der Probenahmezeitpunkte Woche 10, 24 Stunden nach der Medikamentenverabreichung, Woche 14, 17 und 21. Neben der Identifizierung von Genexpressionssignaturen, die mit der Langlebigkeit in Zusammenhang stehen, haben wir Histon- und Proteinproben sowie Gewebeproben für histopathologische Analysen zu allen Zeitpunkten gesammelt. Die histopathologischen Analysen werden eine Verbindung zwischen der VPA-induzierten Deregulierung der Transkription und den charakteristischen morphologischen Veränderungen in alternden Geweben herstellen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieses Projekts, dass epigenetische Interventionen, die in der Lebensmitte eingeleitet werden, das Potenzial haben, den Alterungsprozess zu verlangsamen, indem sie das Epigenom "verjüngen" und so den krankheitsfreien Teil des Lebens auch im fortgeschrittenen Alter verlängern. Damit folgt die Strategie dieses Projekts einem sich abzeichnenden Paradigmenwechsel in der Medizin, wonach der Alterungsprozess als solcher präventiv behandelt wird und nicht eine einzelne Krankheit.