Der Zusammenhang zwischen Altern und dem Mikrobiom

Alterung ist ein natürlicher Prozess, der alle Lebewesen betrifft und zu verschiedenen Gesundheitsproblemen führt. In vielen westlichen Ländern sind Alterungsprozesse und damit verbundene Krankheiten grosse Ursachen für Krankheit und Tod. Wissenschaftler haben spezifische Anzeichen des Alterns identifiziert und festgestellt, dass die Veränderungen, die mit dem Altern einhergehen, bei verschiedenen Arten und Körperteilen ähnlich sind. Die Hauptursachen des Alterns sind jedoch noch nicht ganz klar.

#Die Rolle des Mikrobioms

Das Mikrobiom bezieht sich auf die komplexe Gemeinschaft von Bakterien, die in und auf unseren Körpern leben. Neueste Forschungen zeigen, dass das Mikrobiom eine bedeutende Rolle macht, wie wir altern. Veränderungen im Mikrobiom können verschiedene Körperfunktionen beeinflussen, die mit dem Altern zusammenhängen. Wenn Menschen älter werden, ändert sich die Zusammensetzung ihres Mikrobioms erheblich, und dies hat starke Verbindungen zu altersbedingten Gesundheitszuständen.

Experimente haben gezeigt, dass ältere Bakterien, die in jüngere Organismen eingeführt werden, Entzündungen hervorrufen können, die typisch für das Altern sind. Andererseits kann das Einführen jüngerer Bakterien in ältere Organismen deren Lebensspanne verlängern und einige Alterserscheinungen in Tierversuchen verbessern. Verschiedene Probleme des Verdauungssystems, wie Verstopfung und Probleme mit der Darmbarriere, treten oft zusammen mit altersbedingten Krankheiten auf und zeigen sich häufig Jahre bevor diese Krankheiten auftauchen.

Ausserdem nimmt mit dem Alter die Fähigkeit der Darmbarriere ab, Bakterien und deren schädliche Produkte am Eindringen in den Blutkreislauf zu hindern. Das kann zu einem Zustand von leichter Entzündung im gesamten Körper führen, selbst ohne Infektion, was ein häufiges Merkmal des Alterns ist.

#Unklare Veränderungen im Mikrobiom

Trotz der Fortschritte in der Mikrobiomforschung ist es nach wie vor nicht klar, welche Veränderungen im Mikrobiom das Altern verursachen und welche Veränderungen als Folge des Alterns auftreten. Diese Unklarheit ergibt sich aus der Komplexität des Mikrobioms, das Hunderte von verschiedenen Arten und eine Vielzahl von Stoffwechselprodukten enthält. Die signifikanten Unterschiede in den Bakterienarten unter verschiedenen Menschen sowie die zahlreichen Weisen, wie das Mikrobiom mit dem Körper interagiert, machen es schwierig, spezifische Faktoren zu bestimmen.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, verwenden Forscher eine Methode namens metabolische Modellierung. Dabei werden detaillierte Modelle des bakteriellen Stoffwechsels erstellt, die vorhersagen können, wie Bakterien unter bestimmten Bedingungen agieren könnten und wie sie mit dem Wirt interagieren. Durch die Integration verschiedener Datensätze aus Studien können Forscher besser verstehen, welche spezifischen Stoffwechselnetzwerke beteiligt sind und wie sie sich in verschiedenen Krankheiten verändern.

#Untersuchung von Mikrobiom und Altern

In einer Studie analysierten die Forscher genetische Daten aus verschiedenen Geweben sowie Daten über das Mikrobiom und Metaboliten bei Mäusen, um zu verstehen, wie Darmbakterien den Alterungsprozess beeinflussen könnten. Sie untersuchten die Zusammenhänge zwischen Wirt-Genen und Mikrobiom-Funktionen und fanden viele bekannte und neue Interaktionen. Sie beobachteten, dass die metabolische Aktivität des Mikrobioms mit dem Alter der Mäuse abnimmt, was anscheinend durch grosse Veränderungen in der Interaktion der verschiedenen Bakterien miteinander verursacht wird.

Interessanterweise verband die Studie diese Veränderungen im Mikrobiom mit Veränderungen des Wirts durch das Altern. Viele Gene, die mit dem Altern assoziiert sind, wurden in Zusammenhang mit Funktionen im Mikrobiom gefunden. Diese Veränderungen deuteten darauf hin, dass das Mikrobiom erheblich zu dem mit dem Altern verbundenen metabolischen Rückgang beiträgt.

#Untersuchung des Mikrobioms bei Mäusen

Die Forscher untersuchten das Mikrobiom männlicher Mäuse unterschiedlichen Alters, von 2 bis 30 Monaten. Sie sammelten und sequenzierten genetische Daten aus verschiedenen Geweben, einschliesslich des Dickdarms, der Leber und des Gehirns, sowie Stuhlproben, um die vorhandenen Bakteriengemeinschaften in jeder Maus zu identifizieren. Sie rekonstruierten 181 verschiedene bakterielle Genom, die ein detailliertes Bild des Mikrobioms bei diesen Mäusen boten.

Die Forscher klassifizierten diese Genome in verschiedene Gruppen und bewerteten ihre metabolischen Funktionen. Sie fanden heraus, dass die meisten Bakterien zu ein paar Hauptgruppen gehörten, identifizierten aber auch einige weniger verbreitete Gruppen. Sie charakterisierten die metabolischen Fähigkeiten dieser Bakterien und deren Beziehung zum Alter der Mäuse.

#Korrelationen zwischen Wirt und Mikrobiom

Nachdem die metabolischen Modelle erstellt wurden, bewerteten die Forscher die Verbindungen zwischen den Aktivitäten der Darmbakterien und der Genexpression des Wirts. Sie fanden signifikante Korrelationen zwischen den vom Mikrobiom ausgeführten Funktionen und verschiedenen Prozessen, die in den Geweben des Wirts ablaufen, unabhängig vom Alter. Diese Assoziationen halfen, zahlreiche biologische Funktionen zu identifizieren, die sowohl mit dem Mikrobiom als auch mit dem Wirt verknüpft sind.

Beispielsweise bemerkten die Forscher negative Korrelationen zwischen bestimmten Immunprozessen im Wirt und spezifischen Wegen, die von den Bakterien genutzt wurden. Sie fanden auch starke positive Korrelationen zwischen bakteriellen Stoffwechselvorgängen und Energieproduktion im Wirt, was die Bedeutung der mikrobielle Funktionen für die allgemeine Gesundheit unterstreicht.

#Die Bedeutung der mikrobielle Interaktionen

Anschliessend erstellten die Forscher ein umfassendes Modell, um zu verstehen, wie das Mikrobiom und der Wirt auf metabolischer Ebene interagieren. Dieses integrierte Modell repräsentierte die drei Hauptgewebe des Wirts und das Mikrobiom, was eine Untersuchung ermöglichte, wie sie über verschiedene metabolische Austauschprozesse interagieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Mikrobiom eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung vieler wesentlicher Verbindungen für den Wirt spielt, einschliesslich Fettsäuren und Nukleotiden. Umgekehrt liefert der Wirt auch bestimmte Metaboliten zurück an das Mikrobiom. Dieser Austausch ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Gesundheit und der ordnungsgemässen Funktion sowohl im Mikrobiom als auch im Wirt.

#Auswirkungen des Alterns auf die Mikrobiom-Aktivität

Im Rahmen der Studie untersuchten die Forscher, wie sich die Interaktionen zwischen Mikrobiom und Wirt im Alter der Mäuse verändern. Sie fanden einen bemerkenswerten Rückgang der metabolischen Aktivität des Mikrobioms, als die Mäuse älter wurden. Dieser Rückgang war mit einer Verringerung der Anzahl bakterielle Arten und einer Veränderung in der Art und Weise, wie diese Arten miteinander interagierten, verbunden, was zu einer weniger effizienten Nutzung der verfügbaren Ressourcen führte.

Der insgesamt Rückgang der metabolischen Aktivität bei älteren Mäusen spiegelte sich im spezifischen mikrobielle Funktionen wider, wie der Produktion von nützlichen Verbindungen wie kurzkettigen Fettsäuren. Gleichzeitig beobachteten die Forscher einen Anstieg bestimmter pro-inflammatorischer Metaboliten, was auf eine Verschiebung in Richtung Entzündung im alternden Darm hindeutet.

#Veränderungen in der mikrobielle Zusammensetzung

Die Studie stellte auch fest, dass es mit dem Alter konsistente Veränderungen in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft im Darm gibt. Es gab einen Rückgang bestimmter Gruppen von Bakterien, während andere häufiger wurden. Diese Veränderungen waren mit verschiedenen Stoffwechselprozessen verknüpft, die entscheidend für die Aufrechterhaltung der Gesundheit und Homöostase im Wirt sind.

Die Forscher bemerkten, dass mit dem Rückgang des mikrobiellen Stoffwechsels mit dem Alter auch die allgemeine Diversität der bakteriellen Gemeinschaft abnahm. Dieser Rückgang der Vielfalt könnte zu einem weniger widerstandsfähigen Mikrobiom führen, was möglicherweise die Fähigkeit des Wirts beeinträchtigt, mit Umweltveränderungen umzugehen und die allgemeine Gesundheit im Alter zu beeinflussen.

#Transkriptom-Analyse des Alterns

Um tiefere Einblicke zu gewinnen, wie das Altern die Biologie des Wirts verändert, analysierten die Forscher die Veränderungen der Genexpression in verschiedenen Geweben der Mäuse. Sie fanden ein konsistentes Altersmerkmal im Dickdarm, der Leber und dem Gehirn, das durch erhöhte Entzündungen und verringerte Zellteilung gekennzeichnet ist.

Die Analyse zeigte, dass bestimmte Immunreaktionen bei älteren Mäusen verstärkt waren, während Prozesse, die mit Geweberegeneration und Zellwachstum zusammenhängen, verringert waren. Dieses Muster deutet auf eine Verschiebung in einen Zustand chronischer leichter Entzündung hin, oft als „inflammaging“ bezeichnet, der verschiedene Organsysteme im Alter beeinflusst.

#Auswirkungen des Mikrobioms auf die Funktionen des Wirts

Das Team untersuchte auch, wie der Rückgang der mikrobiellen Stoffwechselaktivität die Funktionen des Wirts beeinflussen könnte. Sie entdeckten, dass Wirt-Gene, die mit dem Altern assoziiert sind, stark angereichert waren für Gene, die mit Mikrobiom-Funktionen verknüpft sind. Das deutet darauf hin, dass der altersbedingte Verlust des mikrobiellen Stoffwechsels negativ mit Prozessen korreliert ist, die die Zellgesundheit und Homöostase im Wirt aufrechterhalten.

Mehrere Stoffwechselwege des Wirts, die mit der Gewebe-Homöostase in Verbindung standen, wurden als altersbedingt herabreguliert erkannt. Im Gegensatz dazu wurden Prozesse, die mit Entzündungen und Immunreaktionen zu tun haben, positiv mit reduziertem mikrobiellem Stoffwechsel assoziiert. Diese Korrelation könnte Aufschluss darüber geben, wie das Mikrobiom zum allgemeinen Alterungsprozess und zur Entwicklung altersbedingter Krankheiten beiträgt.

#Fokus auf mikrobielle Metaboliten

Die Studie legte zusätzlichen Wert darauf, wie das Mikrobiom Nukleotide produziert, die für viele Zellfunktionen essenziell sind. Die Modellvorhersagen deuten darauf hin, dass die Mikrobiota dem Wirt hilft, diese wichtigen Verbindungen, insbesondere im Darm, bereitzustellen. Diese Interaktion spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der Zellgesundheit und der Prävention verschiedener altersbedingter Probleme.

Als die Mäuse älter wurden, fanden die Forscher einen Rückgang der Interaktion zwischen Wirt- und mikrobiellem Metabolismus, insbesondere in der Produktion von Nukleotiden. Diese Reduktion könnte erhebliche Auswirkungen auf die Fähigkeit des Wirts haben, DNA zu reparieren und die ordnungsgemässe Zellfunktion aufrechtzuerhalten, was die Bedeutung eines gesunden Mikrobioms im Alterungsprozess unterstreicht.

#Zusammenfassung der Ergebnisse

In dieser Studie führten die Forscher eine umfassende Analyse durch, wie das Altern die Beziehung zwischen dem Wirt und seinem Mikrobiom bei Mäusen beeinflusst. Sie entwickelten detaillierte Modelle, um die metabolischen Interaktionen zwischen den beiden darzustellen und wichtige Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich diese Interaktionen mit dem Alter entwickeln.

Die Ergebnisse deuteten auf einen signifikanten Rückgang der mikrobiellen Stoffwechselaktivität mit dem Alter hin, begleitet von bemerkenswerten Veränderungen in der Zusammensetzung des Mikrobioms. Ausserdem zeigte der Wirt ein konsistentes Altersmerkmal, das durch erhöhte Entzündungen und reduziertes Zellwachstum gekennzeichnet war.

Im Verlauf der Studie wurde klar, dass das Mikrobiom eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung der Gesundheit des Wirts spielt, insbesondere im Kontext des Alterns. Die Ergebnisse ebnen den Weg für mögliche mikrobiom-basierte Therapien, die sich auf den altersbedingten metabolischen Rückgang und dessen Auswirkungen auf die Gesundheit konzentrieren könnten. Zukünftige Forschungen werden weiter erkunden, wie man das Mikrobiom manipulieren kann, um die Gesundheitsresultate im Alter zu verbessern.