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Formel für das biologische Alter gesucht

Am 1. April 2008 fiel der Startschuss für das europaweite Projekt „MARK-AGE“, bei dem Wissenschaftler aus 14 Ländern mithilfe von standardisierten Fragebögen sowie körperlichen und biochemischen Untersuchungen an Blut und Urin bei 3.700 Probanden den Faktoren der Alterung auf den Grund gehen. Diese Befragung soll dazu beitragen, unter anderem den im letzten Lebensabschnitt drohenden Erkrankungen wie Alzheimer, Osteoporose oder Arthrose zukünftig besser vorbeugen zu können. Zum Expertenteam gehören neben dem Mediziner Prof. Alexander Bürkle der Mathematiker Prof. Michael Junk, der sich mit der biostatistischen Auswertung der gesammelten Daten befasst. Zu ihrer Suche nach der Formel für das biologische Alter standen die beiden Forscher der Universität Konstanz dem Verfasser Michael Statnik von BioLAGO Rede und Antwort.

Herr Prof. Bürkle, wie ist der aktuelle Status des Projektes?

Bürkle: Wir befinden uns gerade noch in der Set-Up-Phase des fünf Jahre dauernden Projektes. Zur Zeit werden die Biobanken zur Probeneinlagerung, die zentrale Datenbank sowie die Standardprotokolle aufgebaut. Daneben sind wir mit der Organisation des umfangreichen Probenversands beschäftigt sowie mit der Durchführung einer ersten "Generalprobe".

Können Sie aus wissenschaftlicher Perspektive beschreiben, welche Faktoren Alterungsprozesse auslösen und verstärken?

Prof. Dr. Alexander Bürkle leitet das MARK-AGE-Projekt. (Foto: A. Bürkle)

Bürkle: Hier ist zum einen die genetische Ausstattung eines Individuums, die von den Eltern vererbt wird und nicht änderbar ist, zu nennen, zum anderen der Lebensstil, der glücklicherweise veränderbar ist. Faktoren wie Tabak- und Alkoholkonsum, schlechte Ernährungsgewohnheiten, Übergewicht, Bewegungsmangel, Schlafmangel und viele weitere beschleunigen dabei den Alterungsprozess. Dazu möchten wir verschiedene Größen in unserer Querschnittsstudie aufnehmen und analysieren. Dies schließt einfache Basisuntersuchungen ein wie: Körpergröße, Gewicht, Blutdruck, Kreatinin- oder Cholesterinwerte, Lungenkapazität, Muskelkraft, Griffstärke, Gedächtnistest, Blutabnahme.

Am Projekt sind 26 internationale Arbeitsgruppen beteiligt: Prallen hierbei zahlreiche abweichende oder gar widersprüchliche Theorien aufeinander?

Bürkle: Nein, überhaupt nicht. Unser Projekt fußt ja eben nicht auf einer von vielen möglichen Alternstheorien, sondern ist rein empirischer Natur. Es ist aber durchaus möglich, dass die Ergebnisse unseres Projekts später einen Einfluss auf die Theoriebildung haben werden. Unser Weg ist ganz klar: Wir wollen in MARK-AGE eine Kombination der aussagekräftigsten Biomarker etablieren, die dann weiterführende gerontologische Studien ermöglichen.

Wie könnte eine Formel für das biologische Alter Ihrer Meinung nach aussehen?

Bürkle: Wie wäre es zum Beispiel mit: Biologisches Alter = 0.2 x CRP [in mg/dl] + 0.04 x 10er-Logarithmus des Bauchumfangs [in cm] + 0.5 x Quadrat der Telomerlänge [in kb] - 0.7 x Quadratwurzel aus der DNA-Reparaturkapazität [in %]… Das ließe sich aufgrund der zahlreichen Einzelparameter nun noch viel weiter fortführen.

Junk: Tatsächlich werden solche Linearkombinationen von transformierten Biomarkern in der Literatur vorgeschlagen. Es sollte aber betont werden, dass der Begriff des biologischen Alters insgesamt noch vage ist. Die mathematische Präzisierung des Begriffs sehe ich auch als ein wichtiges Ziel des MARK-AGE-Projekts.

Herr Prof. Junk, welche Anforderungen müssten aussagekräftige Biomarker erfüllen?

Junk: Ein wichtiges Kriterium ist sicherlich die Korrelation mit dem chronologischen Alter, aber es gibt noch weitere. In MARK-AGE erhalten wir zum Beispiel Daten von einer Gruppe langlebiger Personen und deren normal alternden Lebenspartnern sowie auch in geringerem Umfang von Personen, die schneller als normal altern. Ein Kriterium an die Biomarker wird sein, dass sie die unterschiedlich schnell alternden Teilgruppen deutlich voneinander trennen.

Können Sie Beispiele für mögliche Messparameter für das biologische Alter nennen, die innerhalb des Projekts untersucht werden?

Bürkle: Zum Einsatz kommt unter anderem die Analyse von „klassischen“ Biomarkern, wie etwa dem C-reaktiven Protein, hormonbasierten und DNA-Markern, um zu sehen, wie aussagekräftig diese wirklich sind. Das C-reaktive Protein ist ein bekanntes Plasmaprotein, welches bei Entzündungsreaktionen im Körper in erhöhter Konzentration vorgefunden wird. Es gibt nun die Hypothese, dass mit der Alterung von Organismen ein allgemeiner, geringgradiger Entzündungsprozess einhergeht, der möglicherweise für den Alterungsprozess sogar ursächlich sein könnte. Dies können wir in unserer Probandenpopulation mithilfe des C-reaktiven Proteins als Entzündungshemmer elegant testen. Bei einer so großen Population wurde dies noch nie durchgeführt.

Werden Sie dabei auch völlig neuartige Messparameter und -verfahren einbinden?

Bürkle: Ja, unter den etwa 150 Einzelparametern gibt es eine Vielzahl an neuartigen Faktoren, die eine Rolle spielen. Dazu gehören zum Beispiel die Telomerlänge, die DNA-Reparaturkapazität, Expression und Aktivität des DNA-Reparaturenzyms Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1), Methylierungsmuster von DNA anhand sechs ausgewählter Gene, Akkumulation von Mutationen in der mitochondrialen DNA, Veränderungen bei N-glykosylierten Proteinen im Plasma, Plasmaspiegel des Proteins ApoJ, Isoprostane (als Marker für oxidativen Stress), zelluläres Glutathion (ein zelluläres Antioxidans) und viele andere mehr. Einige Messverfahren werden wir erst im Laufe des Projekts entwickeln.

Welche Erkenntnisse bringt die Untersuchung der Telomerlänge?

Bürkle: Telomere sind die Endstücke von Chromosomen, die aus einer 6-Nukleotid-DNA-Abfolge (TTAGGG) bestehen, die über 1.000 Mal hintereinandergesetzt ist. Man kann nun fluoreszenzmarkierte Sonden verwenden, die komplementär zu diesen Telomersequenzen sind, also perfekte Basenpaarungen mit TTAGGG eingehen können (also AATCCC, wobei diese komplementäre DNA anti-parallel verläuft, d.h. man muss die Sequenz „verkehrt herum“ angeben: CCCTAA). Diese spezifischen Sonden können bei geeigneter Präparation der Zellen mit ihren Chromosomen vollständig an alle verfügbaren TTAGGGs binden und diese absättigen. Das fluoreszenzmikroskopisch abgelesene Signal ist proportional zur Anzahl der TTAGGG-Abschnitte und damit ein Maß für die Telomerlänge. Es gibt vielfältige Daten aus tierexperimentellen Systemen, die zeigen, dass ein beschleunigter Verlust von Telomer-Abschnitten an den Enden der Chromosomen bzw. die Schwächung bestimmter DNA-Reparaturvorgänge die Alterung von Organismen stark beschleunigt. Außerdem weiß man, dass beim Menschen mit zunehmender Alterung die Telomerlänge abnimmt, und es existiert zumindest der Verdacht, dass auch die DNA-Reparaturfunktion mit dem Alter abnimmt.

Welche Rolle spielt im Zug der biochemischen und molekularen Untersuchungen die Analyse der Aktivität des DNA-Reparaturenzyms Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1)?

Prof. Dr. Michael Junk wertet die während des Projekts gesammelten Daten aus. (Foto: M. Junk)
Bürkle: Dieses Enzym befindet sich im Zellkern und produziert Poly(ADP-Ribose). Letzteres ist für die effiziente Reparatur von geschädigter DNA wichtig, insbesondere im Rahmen der „Basen-Exzisionsreparatur“, einer von sechs Hauptpfaden der Reparatur in menschlichen Zellen. Die zu untersuchenden Zellen - in diesem Fall eine Untergruppe der weißen Blutkörperchen - werden zuerst fixiert und ihre Zellmembran durchlässig gemacht. Danach wird diesen permeabilisierten Zellen alles gegeben, was sie brauchen, um eine stärkstmögliche Poly(ADP-Ribose)-Produktion durchzuführen, d.h. NAD+ als Substrat, kurze DNA-Stückchen als Surrogat für gebrochene DNA-Stränge, sowie einen geeigneten Puffer. Danach wird mithilfe eines spezifischen Antikörpers die in vitro produzierte Poly(ADP-Ribose) vollständig gebunden. Dieser Antikörper wird mit einem fluoreszenzmarkierten Sekundärantikörper detektiert, und die Fluoreszenzstärke wird mit einem Durchflusszytometer quantitativ ausgewertet. Je größer die Fluoreszenzintensität, desto größer war die Aktivität der PARP-1.

Wie unterscheidet sich zum Beipiel die Untersuchung an einer 35-jährigen Person von der an einer 74-jährigen?

Bürkle: Die über 60-Jährigen bekommen innerhalb der empirischen Studie einige zusätzliche Fragen gestellt, welche bei den jüngeren Probanden sinnlos wären. Dazu gehören Fragen wie etwa: Benötigen Sie Hilfe beim Anziehen, beim Essen oder dem Toilettengang?

Welche Bedeutung hat bei den Messungen die Herkunft der Probanden zu?

Bürkle: Wir erwarten aufgrund des unterschiedlichen genetischen Hintergrunds und der abweichenden Lebensgewohnheiten deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen europäischen Ländern, in welchen Probanden rekrutiert werden. Ein Ausschlusskriterium ist dabei übrigens, dass der Proband mindestens die Hälfte seines bisherigen Lebens in dem Land verbracht haben muss, in welchem er jetzt lebt.

Wie allgemeingültig werden Tests mit einer Probandenzahl von 3.700 Probanden sein können?

Bürkle: Unsere Probandenanzahl ist sehr groß und repräsentativ für Europa. Es ist jedoch klar, dass wir mit unseren Ergebnissen nicht auf Populationen in Afrika, Asien, oder Lateinamerika zurückschließen können. Hierfür wären gesonderte Studien nötig. Unsere europäische Studie könnte aber vermutlich eine Pilot-Funktion erfüllen, da wir unbrauchbare bzw. redundante Tests identifizieren können und auf diese künftig verzichtet werden könnte, was die Sache vereinfacht und folglich kostensparender macht.

Junk: Man muss auch bedenken, dass die Querschnittsdaten zwangsläufig systematische Effekte widerspiegeln, die zum Beispiel darauf zurückführen, dass ältere Probanden in ihrer Jugend eine andere Ernährungssituation erlebt haben als jüngere, oder dass sich Schadstoffbelastungen wegen technischer Entwicklungen oder politischer Rahmenbedingungen systematisch gewandelt haben. Konkret kann dies dazu führen, dass der Mittelwert bestimmter Biomarker in der Klasse der heute 70-jährigen nur bedingt etwas über den in 30 Jahren zu erwartenden Mittelwert der gleichen Marker bei den heute 40-jährigen aussagt. Ansatzweise ist daher eine weiterführende Longitudinalstudie auch in MARK-AGE geplant. Durch eine wiederholte Datenerhebung bei etwa zwölf Prozent der Teilnehmer nach vier Jahren soll das zeitliche Verhalten der betrachteten Biomarkergruppe analysiert werden. Als weitere Anforderung an den Begriff des biologischen Alters ergibt sich hier die Bedingung, dass der Alterswert im Mittel monoton mit dem chronologischen Alter wachsen soll.

Sollen neue Erkenntnisse sofort oder mittelfristig in Produkte umgesetzt werden oder welche Funktion hat die Einbindung von Unternehmen?

Bürkle: Ja, es ist geplant unsere Erkenntnisse einer Anwendung zuzuführen. Ich denke vor allem an den Bereich Präventivmedizin, das heißt das Screening von solchen (noch) Gesunden, die ein beschleunigtes biologisches Altern aufweisen. Diese sollten eine gezielte und komplette ärztliche (Vorsorge-)Untersuchung oder Beratung erhalten bzw. eines Tages eine präventive Behandlung von altersassoziierten Erkrankungen bekommen.

Herr Professor Junk, welche mathematisch-statistischen Verfahren kommen im Rahmen des Projektes zum Einsatz und wie gehen Sie hierbei vor?

Junk: Zunächst wollen wir natürlich die Verfahren benutzen und testen, die in der Vergangenheit bei ähnlichen Studien vorgeschlagen wurden. Als Stichworte seien multivariate Regression, Singulärwertzerlegung bzw. Hauptkomponentenanalyse sowie Entscheidungs- und Regressionsbäume genannt. Darüber hinaus sollen moderne Ansätze aus den Bereichen Maschinelles Lernen und Data-Mining eingesetzt werden. Ein konkretes Teilziel ist die Reduktion der für die Ermittlung des biologischen Alters notwendigen Biomarker auf eine möglichst kleine Anzahl bei möglichst geringem Informationsverlust. Letztlich wird die Aufgabe darin bestehen, gut mit dem Probandenalter korrelierende Marker zu identifizieren und unter diesen diejenige zu identifizieren, die gering miteinander gekoppelt sind, die also nichtredundante Information über den Zustand des Organismus beisteuern.

Können Sie jetzt bereits absehen, welche Messparameter eine hohe Aussagekraft für die Ermittlung des biologischen Alters haben und welche eine geringe?

Junk: Es ist in der Tat schwierig, Prognosen abzugeben, jedoch ist anzunehmen, dass einige Marker zu den wichtigsten Teilsystemen wie Stoffwechsel, Herz-Kreislauf-System oder Immunsystem eine wichtige Rolle spielen werden. Inwieweit die DNA- oder Protein-basierten Marker zusätzliche Informationen liefern, ist auch für uns natürlich eine spannende Frage, welche durch systematische Korrelationsuntersuchungen geklärt werden muss.

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