Mit zunehmendem Alter geht die Lungenfunktion zurück und die Anfälligkeit für Atemwegserkrankungen nimmt zu. Um diese Effekte im Detail zu verstehen, haben ForscherInnen den Alterungsprozess der Lunge auf Ebene einzelner Zellen untersucht und ausgewertet. Nun stellten sie ihren "Atlas der alternden Lunge" offiziell vor.
Die Lunge ist ein hochkomplexes Organ, in dem eine Vielzahl unterschiedlichster Zellen korrekt zusammenarbeiten müssen, um effizientes Atmen und gleichzeitig Schutz vor Infektionen zu ermöglichen. Wollte man die Lunge eines Menschen mit all ihren Verästelungen auf dem Boden ausbreiten, so bräuchte man rund 70 Quadratmeter Fläche. Wenn man sich nun vorstellt, dass die Zellen ein paar Tausendstel Millimeter klein sind und rund 40 verschiedenen hochspezialisierten Zelltypen angehören, kann man erahnen, wie komplex die Untersuchung von Prozessen ist, die die ganze Lunge betreffen.
"Für die aktuelle Studie haben wir in einem präklinischen Modell Veränderungen zwischen jungen und alternden Lungen bis runter zur einzelnen Zelle untersucht", erklärte Dr. Herbert Schiller. Er ist DZL-Nachwuchsgruppenleiter am Institut für Lungenbiologie des Helmholtz Zentrums München und leitete die Studie gemeinsam mit Prof. Dr. Dr. Fabian Theis, Direktor des Instituts für Computational Biology. "Das wurde möglich durch neue Methoden zur Einzelzellanalyse. So konnten wir die Aktivität von Genen in den einzelnen Lungenzellen per Gensequenzierer auslesen und den Veränderungen in den entsprechenden Genprodukten zuordnen“, erläuterte Schiller weiter. Um all diese Daten sinnvoll zusammenführen und interpretieren zu können, verwendete das Team Ansätze aus der künstlichen Intelligenz: Die schiere Masse der Daten ist für den Menschen schwer auszuwerten. Deshalb entwickelten die ForscherInnen Algorithmen, die sie besser die Struktur der Daten und die darin verborgene biologische Steuerung erkennen lassen.
Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Gene in den Zellen mit zunehmendem Alter nicht mehr synchron verhielten: "Während in jüngeren Lungen die Zellen eines bestimmten Typs die Aktivität ihrer Gene sehr genau kontrollieren, ist die Genaktivität von älteren Lungenzellen, und damit deren Identität, weniger konstant“, so Herbert Schiller. Die WissenschaftlerInnen gehen davon aus, dass sich mit zunehmendem Alter in jeder Zelle die Epigenetik individuell verändert und es so zu den unterschiedlichen Genaktivitäten kommt. Zudem konnten sie zeigen, dass in den Lungenzellen mit zunehmendem Alter bestimmte Stoffwechselwege stärker oder schwächer aktiv sind.
Aber auch außerhalb der Zellen ändert sich einiges: "Die sogenannte Extrazelluläre Matrix, also das Proteingeflecht um die Zellen herum, ist im Alter anders aufgebaut", erklärte Schiller ergänzend. "Dabei kommt es beispielsweise zu einer geänderten Zusammensetzung der als Kollagene bekannten Strukturproteine.“
Lungenerkrankungen sind weltweit für jeden sechsten Todesfall verantwortlich. Um ihnen begegnen zu können, müssen die ForscherInnen weltweit jedoch verstehen, wie sich die Lunge im Laufe des Lebens verändert und an welchen Stellen möglicherweise therapeutisch eingregriffen werden kann.