Untersuchung der replikativen Lebensdauer mit Hilfe einer High-Throughput-fähigen mikrofluidischen Technologie zur Identifizierung von neuen Alterungsmodulatoren (Aging on a Chip - Teil 1 2013-15)

Alterung ist die sukzessive Verschlechterung der normalen biologischen Funktion einer Zelle, die durch die Akkumulation von Schäden auf molekularer Ebene verursacht wird und schließlich zum Tod der Zelle führt. Die Aufklärung und gezielte medizinische Beeinflussung von Alterungsprozessen stehen seit einigen Jahren im Brennpunkt der biotechnologischen Forschung. Bisher wurden zahlreiche molekulare Mechanismen identifiziert, die die Lebensspanne von Zellen und Organismen beeinflussen [1].

Das Modellsystem Hefe ist in der Alterungsforschung seit mehr als 50 Jahren etabliert. Bedeutende für den Menschen und seine Erkrankungen relevante Prozesse u.a. die Zellzykluskontrolle, die Funktion von Telomeren sowie die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Nahrungssituation und nahrungsabhängigen Proteinkinasen wurden im Hefesystem entdeckt und später auf menschliche Zellen übertragen [2–4]. Die replikative Lebensdauer (RLS) der Hefe bezeichnet im Gegensatz zur chronologischen Lebensdauer die Anzahl von Teilungen, die eine einzelne Zelle durchführen kann. Sie ist ein bedeutendes Modell für die Alterung mitotisch aktiver Zellen, die in vielen menschlichen Gewebetypen zu finden sind.

Substanzen, die die replikative Lebensdauer beeinflussen (Alterungsmodulatoren), sind für die Entwicklung von Wirkstoffen gegen vorzeitige Alterung und alterungsbedingte Stoffwechselerkrankungen sowie von Krebsmedikamenten von besonderem Interesse. Die Anzahl der bekannten Substanzen, die die Lebensdauer verändern, ist jedoch bisher sehr gering. Oft stehen ihre biochemischen Eigenschaften (geringe Löslichkeit, geringe Bioverfügbarkeit, Toxizität) einer Nutzung als Medikament oder Nahrungsergänzungsstoff entgegen. Jeder neue Kandidat eines Alterungsmodulators eröffnet damit Perspektiven für die Entwicklung neuer, wirksamerer Produkte gegen Krebs und Alterungs-assoziierte Krankheiten.

Bisherige Strategien zur Identifizierung von Alterungsmodulatoren umfassten in vitro-Assays, die die Aktivität von Alterungs-assoziierten Enzymen nutzen (z.B. Sir2/SIRT1) und in vivo-Assays, durch die nur eine relativ geringe Anzahl von Substanzen getestet werden konnten [5], [6]. Die Suche nach neuen Alterungsmodulatoren erfordert High-Throughput (HT)-Verfahren, die es erlauben die Wirkung von mehreren Tausend Substanzen parallel in einem relativ kurzen Zeitraum kontinuierlich zu untersuchen.
Die Untersuchung der replikativen Lebensdauer war bisher aufgrund des hohen Anteils manueller Arbeit (Mikrosektion der Tochter- von den Mutterzellen) im HT-Verfahren nicht möglich. Das Novum dieses Projektes bestand in der Erforschung eines zellbasierten-Assays unter HT-Bedingungen. Dazu wurde ein mikrofluidischer Ansatz etabliert und analysiert, der die parallele Untersuchung der replikativen Lebensdauer in großem Maßstab ermöglichte. In einem biologischen Teilprojekt wurden die zellbiologischen Anforderungen für die Anwendung im Mikrofluidsystem charakterisiert und umgesetzt. Mit Hilfe des zellbasierten Mikrofluidik-Assays wurde im Laufe des Projektes ein Proof-of-Concept erbracht und eine Reihe von Substanzen untersucht, um die HT-Fähigkeit des Systems zu bestätigen.

Projektlaufzeit

1.7.2013 - 30.6.2015

Projektleitung

Projektmitarbeiter/innen

  • Dr. Ilka Bradshaw
  • Dr. Stephanie Wälter

Kooperationspartner

  • M2-Automation, Berlin

Mittelgeber

Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung Berlin

Förderprogramme

EFRE-ProFIT