Biologie trifft künstliche Intelligenz

Wie verändert sich die Lunge im Alter?

07. Mär 2019

Warum nimmt die Lungenfunktion im Alter ab, und warum sind ältere Menschen auch anfälliger für Atemwegserkrankungen? Um dies im Detail zu verstehen haben Forschende den Alterungsprozess der Lunge auf Ebene einzelner Zellen untersucht und mit Hilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet. Der daraus entstandene ‚Atlas der alternden Lunge‘ wurde nun in der Fachzeitschrift ‚Nature Communications‘ veröffentlicht.

Lunge im Alter: Grafik einer Lunge mit Lupe.

© byemo - Fotolia.com

Lungenerkrankungen sind weltweit für zahlreiche Todesfälle verantwortlich. Daher suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dringend nach neuen Therapien. Dazu ist es wichtig zu verstehen, wie sich die alternde Lunge im Detail verändert. Prozesse zu untersuchen, die die gesamte Lunge betreffen, stellt Forschende jedoch vor große Herausforderungen. Denn die Lunge ist ein hochkomplexes Organ, in dem etwa 40 verschiedene hochspezialisierte Zelltypen zusammenarbeiten, um das korrekte Atmen und gleichzeitig auch den Schutz vor Infektionen zu ermöglichen. Doch der technische Fortschritt eröffnet auch in der Wissenschaft immer neue Möglichkeiten.

Für die aktuelle Studie nutzten die Autoren sowohl Ansätze aus der klassischen Zellbiologie als auch der künstlichen Intelligenz. In einem präklinischen Modell untersuchten sie zunächst die Veränderungen zwischen jungen und alternden Lungen bis hinunter auf die Ebene einzelner Zelle. Die riesige Zahl der gesammelten Daten führten sie dann mit Hilfe von Computer-Algorithmen zusammen, denn für den Menschen wäre diese große Datenmenge nur schwer auszuwerten. Letztendlich konnten sie so die darin verborgenen biologischen Steuerungsmechanismen besser erkennen.

Alter bringt Veränderungen innerhalb und außerhalb der Zellen

Ihre Untersuchungen ergaben, dass sich die Gene in den Zellen mit zunehmendem Alter nicht mehr synchron verhalten: So wird die Genaktivität in den einzelnen Zellen jedes Zelltyps bei jüngeren Lungen noch sehr genau kontrolliert. In älteren Lungenzellen ist sie hingegen weniger konstant, sodass es in Zellen des gleichen Zelltyps zu Unterschieden in der Genaktivität kommen kann. Zudem konnten die Autoren zeigen, dass in älteren Lungenzellen auch bestimmte Stoffwechselwege stärker oder schwächer aktiv sind, als in jungen. Sie vermuten, dass die Epigenetik, also Veränderungen auf und um die DNA, hier eine wichtige Rolle spielt. Mit zunehmendem Alter könnte sich die DNA in jeder Zelle individuell verändern, und so auch die Genaktivität unterschiedlich beeinflussen. Auch außerhalb der Zellen scheint sich im Lauf der Zeit einiges zu ändern: So ist die sogenannte extrazelluläre Matrix, also das Proteingeflecht um die Zellen herum, im Alter anders aufgebaut und zusammengesetzt.

Die Erkenntnisse ihrer Arbeit möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun in Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen auch beim Menschen überprüfen.

Quellen:

Helmholtz Zentrum München: Zellatlas der alternden Lunge. Pressemitteilung vom 21.02.2019

Angelidis, I. & Simon L.M. et al.: An atlas of the aging lung mapped by single cell transcriptomics and deep tissue proteomics. In: Nature Communications, 2019 DOI: 10.1038/s41467-019-08831-9


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