Die Entdeckung des Klonens von Tieren und die anschließende Entwicklung der Technologie zur Neuprogrammierung von Zellen waren Quantensprünge, da sie zu einer Verjüngung durch Neuprogrammierung von Zellen führten und die Ansicht aufkommen ließen, dass Altern ein umkehrbarer epigenetischer Prozess ist.
Die Geschichte der biologischen Verjüngung begann in den frühen 1960er Jahren mit der Entdeckung des Klonens von Tieren in Fröschen durch den Nobelpreisträger für Medizin John Gurdon und Mitarbeiter (Gurdon, 1962). Das Klonen von Säugetieren erfolgte 30 Jahre später, 1996, mit der Geburt des Schafes Dolly (Wilmut et al., 1997). Das Klonen anderer Säugetierarten folgte bis hin zur kommerziellen Anwendung.
Es war vorauszusehen, dass das Zytoplasma einer reifen Eizelle wichtige Moleküle enthielt, die einen somatischen Kern einen erwachsenen Organismus in einen embryonalen Kern verwandeln konnten, der die vollständige Entwicklung eines neuen Individuums steuern konnte. Damals wurde angenommen, dass im Zytoplasma der Eizelle eine definierte Konstellation von Reprogrammierungsfaktoren vorhanden sein sollte, die zur Umprogrammierung eines somatischen Kerns erforderlich sind.
10 Jahre später konnten Takahashi und Yamanaka (Takahashi and Yamanaka, 2006) nachweisen, dass vier Master-Gene, nämlich Oct4-, Sox2-, Klf4- und c-Myc-Gene (OSKM-Gene), nach Übertragung auf erwachsene Maus-Fibroblasten, eine Reprogrammierung dieser Zellen in ein Pluripotenzstadium einleiten, indem sie sich wie embryonale Stammzellen verhalten. Yamanaka bekam für die Entdeckung der Reprogrammierung den Nobelpreis für Medizin.
Die Neuprogrammierung der Zellen war geboren, ein Fortschritt, der den Weg für die anschließende Implementierung der Zellverjüngung ebnete.
Mit Hilfe von klinischen Studien könnte die Hypothese überprüft werden, in wieweit eine Verjüngung in vivo das Altern adulter Zellen, Gewebe, Organe, Individuen verhindern und somit einen Hauptrisikofaktor für Pathologien eliminieren und darüber hinaus das schrittweise Erreichen einer Verjüngung des gesamten Körpers ermöglichen.
2011 wurde die erste Studie von Lapasset et al. veröffentlicht, in der über die Zellverjüngung berichtet wurde (Lapasset et al., 2011). Es war bekannt, dass Zellen von sehr alten Individuen eine atypische Transkriptionssignatur aufweisen, die sich von der ihrer jüngeren Kollegen unterscheidet (Mertens et al., 2015). Es war auch bekannt, dass Fibroblasten alter Spender Telomere (Sahin and Depinho, 2010) sowie dysfunktionelle Mitochondrien und einen höheren Grad an oxidativem Stress verkürzen (Kudryavtseva et al., 2016). Die französische Gruppe untersuchte zunächst die Auswirkung der Neuprogrammierung von Zellen auf die oben genannten Merkmale. Um Fibroblasten von gesunden Hundertjährigen und sehr alten Spendern effizient umzuprogrammieren, fügten die Autoren dem OSKM Reprogramming-Cocktail die Pluripotenzgene NANOG und LIN28 hinzu. Diese Sechs-Faktoren-Kombination reprogrammierte Fibroblasten von sehr alten Spendern effizient in typische induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) und im Anschluss wurden diese wieder in verjüngte Fibroblasten differenziert. Diese Zellen zeigten ein höheres Potenzial zur Verdopplung der Population (PD) als die Ursprungszellen, besaßen verlängerte Telomere und wiesen einen jugendlichen Metabolismus der Mitochondrien auf. die Daten, dass die Zellen verjüngt worden waren.
Nach der Veröffentlichung von Lapasset et al. (2011) folgte eine Anzahl unabhängiger Studien, die die ersten Ergebnisse bestätigten.
Es wurde beobachtet, dass der typischerweise bei Mitochondrien von Zellen alter Individuen beobachtete niedrigere Sauerstoffverbrauch auf jugendliche Werte zurückgeführt wurde, nachdem die alten Zellen zu iPSCs dedifferenziert und anschließend zu verjüngten Fibroblasten zurückdifferenziert worden waren (Hashizume et al., 2015).
Im Jahr 2013 haben Nishimura et al. (Nishimura et al., 2013) reprogrammierte klonal expandierte antigenspezifische CD8 + -T-Zellen von einem HIV-1-infizierten Patienten auf Pluripotenz. Die von T-Zellen abgeleiteten iPSCs wurden dann in CD8 + -T-Zellen mit hoher Proliferationskapazität und elongierten Telomeren redifferenziert. In letzter Zeit wurde eine Verjüngung von dysfunktionellen hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) aus alten Mäusen erreicht, indem sie auf das iPSC-Stadium umprogrammiert wurden durch Differenzierung zu HSCs. Es wurde gefunden, dass verjüngte HSC von alten Mäusen die gleiche funktionelle Leistung in Bezug auf die Produktion unterschiedlicher Immun- und Erythroidzelllinien (periphere B-, T- und Granulozyten- / Myeloidzellen sowie bonemarrow erythroid progenitors) von normal jungen Mäusen aufwiesen (Wahlestedt et al., 2017). Eine weitere Studie berichtete, dass eine Überexpression des Pluripotenzfaktors NANOG in progeroiden oder senescenten myogenen Vorläufern die Zellalterung umkehrte und ihre Fähigkeit zur Erzeugung kontraktiler Kraft vollständig wiederherstellte. Der Effekt wurde durch die Reaktivierung der ROCK- und TGF-β-Pfade vermittelt (Mistriotis et al., 2017).
Bis Ende 2016 glaubte man, dass eine erneute Verjüngung in vivo nicht möglich war, obwohl aus alten Individuen stammende Zellen vollständig verjüngt werden konnten -Die Unterdrückung der Yamanaka-Gene bei Tieren hatte nachweislich multiple Teratome verursacht (Abad et al., 2013; Ohnishi et al., 2014).
Der systematische zeitlich begrenzte Einsatz einer Kombination von Transkriptionsfaktoren, die Pluripotenz in einer Vielzahl von Geweben auslösen können – der Oct3/4-, Sox2-, Klf4- und c-Myc-(OSKM-)Cocktail (Takahashi and Yamanaka, 2006) könnte mit einer in-vivo-Reprogrammierung neue therapeutische Möglichkeiten zur Behandlung einer Vielzahl von Erkrankungen eröffnen, bei denen der Verlust bestimmter Zelltypen mit bewährten Therapien nicht behandelt werden kann.
Eine Studie von Ocampo et al. (Ocampo et al., 2016) beschrieb als erste das Potential von OSKM zur Verbesserung der Regeneration gealterter Gewebe gegenüber Verletzungen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die transiente Reprogrammierung verschiedene molekulare Aspekte des Alterns entfernte und die Regenerationsfähigkeit – u.a. quergestreifter Muskulatur und Pankreasgewebes – bei älteren Mäusen verbesserte. Die Kontrollen zeigten eine Vielzahl von Veränderungen auf anatomischer und histologischer Ebene in den obigen Organen, während einige dieser Alterszeichen in den experimentellen Mäusen verschwanden oder abgeschwächt wurden. Einige Alterungserscheinungen blieben durch die Behandlung unverändert. Darüber hinaus zeigten die Versuchstiere, obwohl sie weiter alterten, eine 50%ige Verlängerung der Überlebenszeit im Vergleich zu progerischen Wildtyp-Kontrollen. Wenn die Behandlung unterbrochen wurde, kehrte das Alterungszeichen zurück. Eine wichtige Implikation der Studie von Ocampo et al. ist, dass die zyklische teilweise Neuprogrammierung bewirkt, dass einige epigenetische Alterungsmarkierungen gelöscht werden, aber die Differenzierungsmarkierungen erspart werden, was wiederum nahelegt, dass beide Arten von epigenetischen Markierungen nicht notwendigerweise gleich sind.
Auch Untersuchungen zur zeitlich begrenzten Expression von OSKM in der adulten Mausleber (Yilmazer et al., 2013) und wiederum der quergestreiften Muskulatur (de Lazaro et al., 2017) unterstützen die Beobachtung von Zellerneuerung und die Gewebereparatur durch partielle Reprogrammierung.
Gao et al (Gao et al., 2016) verwendeten die Überexpression von in Gliazellen mit dem Ziel, Schädel-Hirn-Traumata zu reparieren. Dabei kam es zu einer Verbesserung der Regenerationsfähigkeit des geschädigten Nervengewebes.
Die Ergebnisse von Doeser et al (Doeser et al., 2018) zeigten, dass OSKM-Transkriptionsfaktoren den Wundverschluss durch Verringerung der Wundkontraktion, der Fibroblastenmigration und der Transdifferenzierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten verzögerten. Genexpressionsanalysen verdeutlichten eine Suppression der profibrotischen Geninduktion. Eine verbesserte Wundheilung mit signifikant reduzierter Narbengewebebildung konnte beobachtet werden. Diese Daten deuten darauf hin, dass die Wirkung von Reprogrammierungsfakoren auf die Wundheilung in der Haut hauptsächlich antifibrotisch ist und die Narbengewebebildung verringert werden kann.
Als alternative Erklärung für die Verringerung der Narbenbildung hatten Doeser et al. (2018) angenommen, dass die Reduktion der durch OSKM-Faktoren vermittelten Fibrose die Reaktivierung einer fetalen Genexpression im adulten Wundgewebe mit sich bringen könnte. Die narbenlose fetale Wundheilung bei Säugetieren ist insbesondere durch die Hochregulation von TGF-β3, Kollagen III und IL10 sowie eine reduzierte fibrotische Reaktion gekennzeichnet und führte damit zu einer Geweberegeneration ohne Bildung von Narbengewebe (Kishi et al., 2012; Larson et al., 2010).
Der wachsende Beweis, dass die Reprogrammierung von somatischen Zellen älterer Menschen zu ihrem embryonalen Stadium verjüngt, lässt vermuten, dass neben einem kumulativen DNA-Schaden das Epigenom der zentrale Treiber des Alterns ist. Ein wichtiger Fortschritt, der für das epigenetische Alterungsmodell von Bedeutung ist, ist die relativ junge Entdeckung, dass der Grad der altersbedingten Methylierung eines Satzes von Cytidin-Guanosinedinucleotiden (CpG), die sich an einer genauen Position im gesamten Genom befinden, einen äußerst zuverlässigen Biomarker für das Altern darstellt. Ein mathematischer Algorithmus, der von Stephen Horvath (Horvath, 2013) entwickelte Gewebealter-Prädiktor, der auch als epigenetische Uhr bekannt ist, verwendet den altersabhängigen Methylierungszustand (Beta-Wert) von 353CpGs an präzisen Positionen durch das Humangenom und generiert eine in Jahren ausgedrückte Zahl , das das epigenetische Alter darstellt mit einer beim Menschen beispiellose Genauigkeit für einen Biomarker des Alters, der allen bisher dokumentierten Biomarkern des Alters weit überlegen ist.
Beispielsweise ist bekannt, dass die epigenetische Alterungsrate bei Supercentenariern und ihren Nachkommen langsamer ist (Horvath et al., 2015). Weiterhin gehen Pathologien wie die Huntington- und Parkinson-Krankheit mit einer beschleunigten epigenetischen Alterung einher (Horvath et al., 2016; Horvath and Ritz, 2015). In Übereinstimmung mit dem epigenetischen Alterungsmodell kehrt das epigenetische Alter von Zellen, die durch die Yamanaka-Faktoren in iPSCs umprogrammiert werden, auf null Jahre zurück.
Im Rahmen der rasanten Fortschritte in der Biotechnologie ist zu erwarten, dass in den nächsten Jahrzehnten klinische Ansätze entwickelt werden, die die Alterung von Zellen, Geweben und Organen des Menschen zu stoppen und diese sogar zu verjüngen.