Molekulare Mechanismen von Kohlenstoffnanopartikel induzierter Senezenz und Alterung ex vivo und in vivo: Die Rolle reaktiver Sauerstoffspezies

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Judith Haendeler; Privatdozent Dr. Klaus Unfried
• Fachliche Zuordnung: Gerontobiologie und Geriatrie ; Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270971646

Das gemeinsame Prinzip aller verbrennungsgenerierten Nanopartikel (CDNP) ist der Kohlenstoffkern mit einem primären Durchmesser von unter 100 nm. Verschiedene Studien zeigen, dass Gesundheitsstörungen der Lunge und des Gefäßsystems nach Inhalation von CDNP mit den Effekten reiner Kohlenstoffnanopartikel erklärt werden können. Epidemiologische Untersuchungen weisen auf Zusammenhänge zwischen der Exposition gegenüber CDNP und Anzeichen von frühzeitiger Lungenalterung und altersassoziierten kardiovaskulären Erkrankungen hin. Während des Alterungsprozesses kommt es zu einer Reduktion und letztendlich zum Versagen von Organfunktionen, das zum Tod führt. Ein Kennzeichen der Alterung ist die zelluläre Seneszenz. Seneszente Zellen kommen in vivo vor und sind durch eine verringerte Funktionalität gekennzeichnet. Die Arbeitsgruppe Haendeler und Unfried haben gemeinsam erstmalig gezeigt, dass reine Kohlenstoffnanopartikel Anzeichen zellulärer Seneszenz in Endothelzellen und Lungenepithelzellen auslösen. Diese Behandlung führte auch zu einer Zunahme von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die an Alterungsprozessen beteiligt sind. Das Forschungsprojekt hat deshalb zum Ziel, die bislang unbekannten molekularen Mechanismen der Kohlenstoffnanopartikel-induzierten zellulären Seneszenz in primären humanen Lungenepithelzellen und in Gefäßendothelzellen ex vivo zu identifizieren und die Relevanz dieser Ereignisse in vivo zu validieren. Zunächst wird der kausale Zusammenhang zwischen ROS-Entstehung und Seneszenz durch den Einsatz verschiedener Antioxidantien und anschließender Messung von Seneszenzmarkern bestimmt. Weiterhin werden Expressions- und Aktivitätsänderungen von oxidativen und antioxidativen Systemen untersucht. Gegebenenfalls werden diese Effekte durch Erhöhung oder Erniedrigung der Expression der entsprechenden Enzyme in lentiviralen Transfektionsexperimenten untersucht. Da Mitochondrien eine entscheidende Rolle in Alterungsprozessen spielen, wird die Funktionalität dieser Organellen nach CDNP-Exposition untersucht. Ein wichtiges Protein für die mitochondriale Funktion, das durch CDNP reduziert wird, ist die mitochondriale Telomerase Reverse Transkriptase (TERT). Wir werden deshalb untersuchen, ob eine Re-expression der mitochondrialen TERT der Seneszenz in Lungenepithelzellen und in Endothelzellen entgegen wirkt. Als weiteres entscheidendes Symptom der Lungen- und Gefäßalterung wird die Störung der interzellulären Kommunikation mit spezifischen Schwerpunkt auf Connexin 43 untersucht. Zur Identifikation bislang unbekannter Zellreaktionen werden Transkriptom- und Proteomanalysen durchgeführt. Die Induktion von Seneszenz durch CDNP in vivo wird im Mausmodell unter nicht-inflammatorischen Bedingungen untersucht. Zur Untersuchung spezifischer Mechanismen werden transgene Mausmodelle, die entweder NADPH-Oxidase 4 spezifisch in Endothelzellen überexprimieren oder in denen in allen Geweben TERT ausschließlich in den Mitochondrien vorliegt, eingesetzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen