Organe altern unterschiedlich schnell – warum Ihr Körper mehrere biologische Uhren hat

Der Pass sagt, wie viele Jahre ein Mensch gelebt hat. Aber er verrät nicht, wie alt Herz, Lunge, Gehirn oder Bauchspeicheldrüse biologisch sind. Organe altern unterschiedlich schnell – und manche können ihrer Zeit deutlich voraus sein. Wissenschaftler des CeMM Forschungszentrums für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben nun untersucht, wie sich diese Unterschiede direkt im Gewebe ablesen lassen.

Für die im Fachjournal Nature Medicine veröffentlichte Studie werteten die Wissenschaftler Gewebe von 983 Menschen aus. Insgesamt flossen 25.712 hochauflösende Aufnahmen aus 40 Gewebearten und 29 Organen in die Analyse ein. Die untersuchten Personen waren zwischen 20 und 70 Jahre alt. Eine KI suchte in den mikroskopischen Bildern nach Veränderungen, die mit dem Alter zusammenhängen.

Organe altern unterschiedlich schnell und hinterlassen eigene Muster

Auf einem Gewebeschnitt sind Zellen, Gefäße und Bindegewebe zu erkennen. Mit zunehmendem Alter verändert sich diese Ordnung. Die KI konnte solche Muster erfassen und daraus sogenannte „Gewebeuhren“ entwickeln. Für jedes Gewebe lernte ein Modell, das Alter eines Menschen aus der mikroskopischen Struktur zu schätzen.

Im Mittel wich die Schätzung um 4,88 Jahre vom tatsächlichen Alter ab. Interessant war vor allem die Differenz zwischen beiden Werten. Wirkte das Gewebe eines 50-Jährigen beispielsweise eher wie das eines älteren Menschen, entstand eine positive Altersabweichung. Die Wissenschaftler sprechen von einem „age gap“. Vier der 40 Gewebeuhren waren wegen zu kleiner Stichproben deutlich schwächer.

Die Gewebeuhr erfasst mehr als das Geburtsalter

Diese Altersabweichungen passten zu anderen biologischen Merkmalen. Für 6.197 Proben lagen zusätzlich Messungen der Telomerlänge vor. Telomere schützen die Enden der Chromosomen und verkürzen sich mit dem Alter. Kürzere Telomere hingen stärker mit dem biologischen Gewebealter zusammen als mit dem reinen Lebensalter. Besonders deutlich war das in Speiseröhre, Magen, Niere, Prostata und Bauchspeicheldrüse.

Auch krankhafte Veränderungen traten häufiger auf, wenn die Gewebeuhr ein höheres biologisches Alter berechnete. Im Kleinhirn fanden die Wissenschaftler etwa Veränderungen, die mit dem Verlust von Myelin und Durchblutungsstörungen zusammenhingen. In der Aorta zeigten auffällig alte Gewebe verdickte Gefäßwände und eine gestörte Struktur, wie sie bei Arteriosklerose vorkommt.

Alter verändert die Architektur ganzer Organe

Über viele Organe hinweg tauchten ähnliche Veränderungen auf. Gewebeschwund, Fibrose und der Rückgang kleiner Blutgefäße nahmen zu. Gleichzeitig veränderte sich die Aktivität zahlreicher Gene. Prozesse rund um Entzündungen und zelluläre Alterung wurden häufiger aktiver, während bestimmte Stoffwechselprozesse an Aktivität verloren.

„Unsere Gewebe tragen eine bemerkenswert detaillierte Aufzeichnung des Alterungsprozesses in sich“, sagt Studienleiter André Rendeiro vom CeMM. Mit KI ließen sich Muster erkennen, die für das menschliche Auge allein kaum sichtbar seien.

Auch innerhalb eines Menschen liefen die Alterungsprozesse nicht gleichmäßig. Bei manchen Personen lagen mehrere Gewebe relativ nah am erwartbaren Alter. Andere wiesen in mehreren Organen zugleich hohe Altersabweichungen auf. Daneben gab es Menschen, bei denen besonders ein Organ auffiel, etwa Herz, Lunge oder Magen.

Krankheiten hinterlassen Spuren im biologischen Alter der Organe

Frühere Arbeiten hatten bereits Hinweise geliefert, dass sich Alterungsprozesse in bestimmten Lebensphasen beschleunigen und einzelne Organe früher betroffen sein können. Die neue Analyse macht solche Unterschiede direkt an der Gewebestruktur sichtbar.

Auch Erkrankungen gingen mit bestimmten Mustern einher. Typ-2-Diabetes war mit einer höheren Altersabweichung der Bauchspeicheldrüse verbunden. Chronische Atemwegserkrankungen traten besonders deutlich zusammen mit einer stärkeren biologischen Alterung der Lunge auf. Nierenversagen war sogar mit erhöhten Alterungssignalen in mehreren anderen Geweben verbunden. Diese Zusammenhänge belegen allerdings keine Ursache-Wirkung-Beziehung.

Unabhängige Proben prüfen die Gewebeuhren

Die Wissenschaftler testeten ihre Modelle auch an unabhängigen Gewebeproben. Dafür standen 70 Gehirn-, 40 Lungen- und 185 Hautproben zur Verfügung. Die Korrelation zwischen vorhergesagtem und tatsächlichem Alter lag bei 0,56 für das Gehirn, 0,76 für die Lunge und 0,46 für die Haut. Besonders gut funktionierte jeweils die Gewebeuhr, die für das passende Organ trainiert worden war.

Die Ergebnisse verglichen die Wissenschaftler außerdem mit etablierten epigenetischen Uhren, die chemische Veränderungen an der DNA messen. Beide Verfahren erfassten offenbar unterschiedliche Seiten des Alterns. In einer unabhängigen Lungenkohorte stimmten die beiden Ansätze zumindest teilweise miteinander überein.

Blut soll Hinweise auf einzelne Organe liefern

Für eine breite medizinische Anwendung haben Gewebeproben einen entscheidenden Nachteil: Aus Gehirn, Herz oder Bauchspeicheldrüse lassen sie sich nicht einfach für einen Routinecheck entnehmen. Deshalb verknüpften die Wissenschaftler die Gewebeuhren mit Genexpressionsdaten aus Blutproben derselben Personen.

So entstanden Modelle, die aus der Aktivität von Genen im Blut auf die Altersabweichung bestimmter Gewebe schließen. Besonders gut funktionierte das für einen über mehrere Organe gemittelten Wert sowie für den Magen-Darm-Trakt und die Milz.

Dass sich das biologische Alter grundsätzlich aus Blutdaten abschätzen lässt, wird bereits mit anderen Verfahren untersucht. Es gibt auch Ansätze, die dafür nur wenige Tropfen Blut benötigen. Neu ist hier vor allem der Versuch, die Signale einzelnen Geweben zuzuordnen.

Alzheimer und Morbus Crohn erzeugen unterschiedliche Signaturen

Für die Prüfung des Blutmodells nutzte das Team neun unabhängige Datensätze mit insgesamt 1.205 Blutproben. 577 stammten von gesunden Menschen, 628 von Menschen mit sieben chronischen Erkrankungen. Hinzu kamen Patienten nach einem Schlaganfall.

Die Muster passten häufig zur betroffenen Körperregion:

Bei Alzheimer war das Gehirn das einzige Organ mit einer signifikant erhöhten Altersabweichung.
Bei Morbus Crohn fanden sich erhöhte Werte in Speiseröhre, Magen, Dünndarm und Dickdarm.
Bei Vaskulitis traten sie besonders in Niere, Leber und Herz auf.
Nach einem Schlaganfall lag das stärkste Signal im Gehirn.

© Wolfgang Däuble / CeMM Hinter der Studie stehen André Rendeiro, Iva Buljan, Ernesto Abila und Yimin Zheng (v. l. n. r.). Ihr Team untersuchte, wie sich das biologische Alter einzelner Organe im Gewebe und im Blut ablesen lässt. © Wolfgang Däuble / CeMM

Der Bluttest ist noch kein fertiger Organ-Check

Eine Blutprobe kann deshalb noch nicht zuverlässig angeben, wie alt jedes einzelne Organ biologisch ist. In den externen Datensätzen fehlten passende Gewebeproben derselben Patienten. Die Wissenschaftler konnten deshalb nicht prüfen, ob die aus dem Blut berechneten Werte absolut korrekt kalibriert waren.

Auch eine Früherkennung von Alzheimer, Morbus Crohn oder anderen Erkrankungen ist bisher nicht belegt. Die untersuchten Patienten waren bereits krank. Ob auffällige Alterungssignale schon Jahre vor einer Diagnose auftreten, müssen Langzeitstudien klären.

Hinzu kommen weitere Einschränkungen: Viele Ausgangsdaten stammen aus Gewebe Verstorbener. Männer waren etwa doppelt so häufig vertreten wie Frauen. Außerdem handelt es sich vor allem um eine Querschnittsanalyse. Ursache und Wirkung lassen sich damit nicht bestimmen.

„Wir nutzen die Sprache der Gewebealterung, die wir aus Bildern gelernt haben, und übersetzen sie in etwas, das aus einer gewöhnlichen Blutprobe abgelesen werden kann“, fasst Co-Erstautorin Iva Buljan die Forschungsergebnisse zusammen.

Kurz zusammengefasst:

Organe altern unterschiedlich schnell: Das biologische Alter von Herz, Lunge oder Gehirn kann vom Lebensalter eines Menschen abweichen.
KI-basierte Gewebeuhren erkennen solche Altersunterschiede in der Gewebestruktur; im Mittel lag der Schätzfehler bei rund 4,9 Jahren.
Blutmodelle können Hinweise auf organbezogene Alterung liefern, sind aber noch kein klinischer Test und keine belegte Methode zur Früherkennung von Krankheiten.

Übrigens: Nicht nur Organe können unterschiedlich schnell altern – auch Antikörper des Immunsystems stehen im Verdacht, Alterungsprozesse in Geweben anzutreiben. Wie sich Immunglobulin G dabei verhält und warum das für mögliche Anti-Aging-Therapien interessant ist, mehr dazu in unserem Artikel.