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Verjüngungskur für den Knochen

Epigenetische Veränderungen an Knochenstammzellen bieten Ansatz für Osteoporose-Therapie

Knochenstammzellen
Junge Knochenmarkszellen mit hohem Calciumgehalt (links), alte, inaktive Knochenstammzellen (Mitte) und durch Zugabe von Natriumacetat wieder verjüngte Stammzellen. © Pouikli / Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns, 2021

Nachschub gestört: Forscher haben einen möglichen Ansatz für Therapien gegen Osteoporose entdeckt. Demnach entwickeln alternde Knochenstammzellen epigenetische Veränderungen, die ihre Weiterentwicklung zu neuen Knochenzellen hemmen. Im Zellkultur-Versuch ließen sich die fehlenden Anhänge an der DNA-Verpackung aber durch Gabe von Natriumacetat ersetzen, einem gängigen Lebensmittelzusatzstoff. Als Folge verjüngten sich die Knochenstammzellen wieder.

Wenn wir altern, verändert sich in unseren Knochen das Gleichgewicht von Knochen-Neubildung und Abbau. Schuld daran sind unter anderem alternde Stammzellen im Knochenmark, die nicht mehr so effektiv für Zellnachschub sorgen können. Im Laufe der Zeit nimmt dadurch die Knochendichte ab und Osteoporose kann die Folge sein.

Warum altern Knochenstammzellen?

Was hinter der nachlassenden Aktivität der Knochenstammzellen steckt und wie man sie vielleicht verhindern kann, haben nun Andromachi Pouikli vom Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns in Köln und ihre Kollegen untersucht. „Wir wollten wissen, warum diese Stammzellen im Alter weniger Material für die Knochen produzieren und sich so immer mehr Fettgewebe im Knochenmark ansammelt“, erklärt Pouikli.

Dabei konzentrierten sich die Forschenden auf einen Faktor, der schon länger im Fokus der Alternsforschung steht: das Epigenom. Als solche bezeichnet man die Anhängsel und chemischen Modifikationen des Erbguts, die nicht den DNA-Code verändern, sondern die Ablesung der Gene beeinflussen. So kann beispielsweise eine zu feste Verpackung des Genoms in Form der Histonproteine das Ablesen eines Gens blockieren und so die Funktion der Zellen stören.

Fehlende Histon-Anhängsel machen Zellen alt

Für ihre Studie verglichen Pouikli und ihre Kollegen deshalb zunächst das Epigenom von Knochenstammzellen junger und alter Mäuse „Wir konnten sehen, dass sich das Epigenom im Alter stark verändert“, so die Forscherin. An mehreren tausend Genorten war die DNA bei den jungen Knochenstammzellen zugänglich, bei den alten aber blockiert. „Es sind dabei besonders die Gene betroffen, die wichtig für die Knochenbildung sind“, erklärt Pouikli. Als Folge entwickeln sich die Stammzellen bei älteren Tiere nicht zu Knochenbildungszellen weiter, sondern werden zu Fettzellen.

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Um zu klären, ob diese Veränderung im Epigenom auch beim Menschen auftreten, untersuchten die Forschenden als nächstes menschliche Stammzellen aus dem Knochenmark, die Patienten nach einer Hüftoperation entnommen worden waren. Das Ergebnis: Auch bei diesen älteren, an Osteoporose leidenden Patienten zeigten sich dieselben epigenetischen Veränderungen wie bei den alten Mäusen.

Nähere Analysen ergaben, dass den Histonen Acetyl-Anhängsel fehlten, kleine Moleküle, deren Anlagerung normalerweise für eine Lockerung der Histonhülle sorgt und so den Zugang zu den Genen ermöglicht.

Ersatz durch Zugabe von Natriumacetat

Das weckte die Frage, ob sich dieser Acetylmangel möglicherweise medikamentös beheben lässt. Aus früheren Studien war bereits bekannt, dass Natriumacetat von Zellen in Acetyl-CoA umgewandelt werden kann – und damit in die Substanz, die im Zellplasma von alternden Knochenstammzellen fehlt. Im Versuch gaben die Forschenden daher Natriumacetat zu einer Kultur von Stammzellen aus dem Knochenmark alter Mäuse.

Das Ergebnis: „Überraschenderweise sorgte diese Acetat-Behandlung dafür, dass die gealterten Stammzellen wieder ähnlich viele Knochenbildungszellen produzierten wie junge Zellen“, berichten Pouikli und ihre Kollegen. „Diese Behandlung hat in beeindruckender Weise dafür gesorgt, dass sich das Epigenom verjüngt hat und auch wieder mehr Knochenzellen durch die Stammzellen gebildet wurden.“

Therapie-Option für Osteoporose?

Nach Ansicht des Forschungsteams könnte diese „Verjüngung“ des Epigenoms eine neue Ansatzstelle für die Behandlung von Osteoporose und ähnlichen Knochenleiden darstellen. „Allerdings müssen wir noch genauer die Auswirkungen auf den gesamten Organismus untersuchen, um eventuelle Risiken und Nebenwirkungen auszuschließen“, erklärt Seniorautor Peter Tessarz vom Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns. Dafür sind unter anderem Tests mit Tieren nötig.

„Natriumacetat gibt es auch als Lebensmittelzusatzstoff, allerding ist es nicht sinnvoll es in dieser Form gegen Osteoporose einzusetzen“, warnt Tessarz jedoch. Denn solange die Wirkungen der Substanz auch auf andere Zellen nicht näher untersucht ist, könnte eine übermäßige Einnahme der Gesundheit schaden. (Nature Aging¸2021; doi: 10.1038/s43587-021-00105-8)

Quelle: Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns

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