Das Herz ist ein erstaunliches Arbeitstier eines Organs. Mit jeder Minute sprudelt das menschliche Herz über eine Gallone Blut, die den Rest des Körpers mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. In einem durchschnittlichen Leben schlägt das Herz mehr als drei Milliarden Mal und pumpt genug Blut, um 1.200 Pools in olympischer Größe zu füllen.
Nach Jahren harter Arbeit neigen die Muskeln jedoch dazu, sich abzudünnen. Wie bei einem überdehnten Gummiband verliert das Herz letztendlich seine Elastizität, was das Risiko einer Herzinsuffizienz stetig erhöht.
Heute berichten Wissenschaftler der University of California in San Diego, dass Fruchtfliegen, die so konstruiert sind, dass sie einen hohen Anteil an einem herzumbauenden Protein aufweisen, eine viel längere Lebensdauer haben. Ihre Ergebnisse sind die ersten, die strukturelle Veränderungen im Muskelgewebe mit metabolischen Konsequenzen in Verbindung bringen, die letztendlich die Langlebigkeit beeinflussen.
Während Herzzellen nicht über die Regenerationsfähigkeit anderer Organe wie der Leber verfügen, wird das Herz mit einem umfassenden Reparaturset vorbereitet. Ein menschliches Herz kann über die erwartete Garantie hinaus jahrzehntelang aufladen und eine Vielzahl von Sicherungsmethoden einsetzen, um alte Strukturen zu sanieren und umzugestalten, selbst wenn Zellen beginnen, ihre Form zu verlieren. Wenn die strukturelle Integrität eines Herzens beeinträchtigt ist, fegt eine Reihe von Proteinen schnell ein, um die Risse im Fundament zu reparieren.
Eines der leistungsstärksten Werkzeuge, das dem Herzen zur Verfügung steht, ist Vinculin - ein Protein, das dem Sekundenkleber von Zellen ähnelt. Wenn Zellen in den Wänden des Herzens altern, beginnen sie, sich voneinander zu lösen und zu sterben, was es dem Herzen erschwert, jeden rhythmischen Druck auszuführen. Vinculin verankert die Zellen untereinander und in der umgebenden Matrix, sodass das Herz mit der äußeren Umgebung kommunizieren kann. Dieses Protein wird nach jahrzehntelanger Belastung der Muskeln zunehmend notwendig und die Produktion im Herzen steigt mit zunehmendem Alter, so dass die Zellen Risse im gealterten Gewebe ausbessern können. Sowohl Nagetiere als auch Menschen mit kaputten Kopien des Vinculin-Gens haben ein besonders hohes Risiko für Herzversagen im späteren Leben.
Letztendlich geht der Umbau jedoch nur so weit: In einigen Fällen überfordert der Zustand der Baufälligkeit sogar die Auffrischungskraft von Vinculin, und das Herz kann scheitern. Und mit der globalen durchschnittlichen Lebenserwartung steigen auch die Bedenken hinsichtlich kardialer Komplikationen bei älteren Menschen. Bis 2030 wird ein Viertel der Amerikaner über 65 Jahre alt sein. Um das Auftreten von Herzerkrankungen in einer älteren Generation weiterhin zu verhindern, muss die technologische Entwicklung beschleunigt werden, um mit der menschlichen Bevölkerung Schritt zu halten.
Um die Schnittstelle zwischen Herzfunktion und Langlebigkeit zu untersuchen, beschlossen die Bioingenieure Ayla Sessions und Adam Engler, die Werkzeuge, die die Evolution bereits zur Verfügung gestellt hat, zu nutzen, um die Heilungskapazität des Herzens an ihre Grenzen zu bringen.
Vor drei Jahren hat die Gruppe des Seniorautors Adam Engler die Bedeutung von Vinculin für die Aufrechterhaltung des Herzens von Tieren im Alter demonstriert. Nachdem sie gezeigt hatten, dass die gealterten Herzen von Mäusen und nichtmenschlichen Primaten mehr Vinculin produzieren, wunderten sie sich über die Konsequenzen des Hochfahrens oder der vollständigen Entfernung von Vinculin.
Um die kostspieligen und zeitraubenden Fallen genetisch manipulierter Nagetiere oder Affen zu umgehen, modellierten die Forscher ihre Experimente an Fruchtfliegen. Mit einer Lebensdauer von etwas mehr als einem Monat können diese Insekten innerhalb weniger Wochen von jugendlichen zu geriatrischen Tieren werden. Und während wir Insekten eher als fremde Schädlinge betrachten, haben Menschen und Fliegen tatsächlich viel gemeinsam. Fruchtfliegenorgane haben eine überraschend große strukturelle Ähnlichkeit mit Säugetieren wie Mäusen und Primaten, und mehr als 80 Prozent der Gene, die Anweisungen zum Aufbau eines Fliegenherzens enthalten, spiegeln sich beim Menschen.
„Fruchtfliegenherzen ähneln strukturell den menschlichen Zellen“, erklärt Engler. „Aber ihre Physiologie ist so einfach. Es macht sie ideal zum Lernen. “
Und genau wie beim Menschen neigen die Herzen alter Fliegen zum Versagen.
In ihrer ursprünglichen Arbeit haben Engler und sein Team eine Vielzahl von Fliegen gezüchtet, um die Produktion von Vinculin im Herzgewebe zu beschleunigen. Wie erwartet blieben die mit mehr Vinculin gestärkten Herzen auch im Alter der Fliegen stark, was die Pumpleistung von gesundem Gewebe nachahmte.
Zu Englers Überraschung verursachte das Herausdrehen von zusätzlichem Vinculin im Herzen auch „Superflies“ mit einer bemerkenswert längeren Lebensdauer, die manchmal die Lebensdauer der Fliegen mehr als verdoppelte. Dies stützte zwar die Idee, dass Vinculin für die Verbesserung des Herzgewebes entscheidend ist, aber die Forscher verstanden nicht, wie oder warum dies dazu beitrug, dass die Fliegen länger leben konnten.
Um das Rätsel zu lösen, überwachte die Hauptautorin Ayla Sessions die Gesundheit und Langlebigkeit derselben Überfliegensorte aus verschiedenen Blickwinkeln. Wieder einmal überlebten die Superfliegen ihre regulären Kollegen - aber Sessions stellte außerdem fest, dass sie überlegene sportliche Fähigkeiten aufwiesen, indem sie ihre neu entdeckten Kräfte einsetzten, um über Böden zu huschen und große Wände zu skalieren.
Darüber hinaus verwendeten die Superfliegen wie menschliche Sportler Sauerstoff und Zucker effizienter, um ihre Bewegungen voranzutreiben. Als Sessions die Fliegen mit einer beschrifteten Form von Glukose fütterte, stellte sie fest, dass Zucker aus der Fliegennahrung in übereffiziente Pfade geleitet wurde, die zusätzlichen Brennstoff für Zellen produzierten. Tatsächlich sahen diese Superfliegen unheimlich aus wie langlebige Fliegen früherer Arbeiten aus anderen Gruppen - mit der Ausnahme, dass diese Fliegen Änderungen im Lebensstil (wie Kalorieneinschränkung) erfahren hatten, keine genetischen. Irgendwie hatte diese Veränderung robuste und weitreichende Konsequenzen für die allgemeine Gesundheit, obwohl der zusätzliche strukturelle Klebstoff von Vinculin nur auf einen bestimmten Körperteil reduziert wurde.
"Aus Millionen von Zellen [in der Fliege] entstehen nur 102 Zellen [im Herzen], die diesen systemischen Effekt hervorrufen", sagt Engler. "Und das war ziemlich überraschend für uns."
Dies ist das erste Mal, dass Forscher Veränderungen in der Mechanik von Zellen mit dem Stoffwechsel in Verbindung bringen und einen Einblick in die Frage geben, wie ein starkes Herz einen gesunden Stoffwechsel aufrechterhält. Sessions und Engler theoretisieren, dass die erhöhte Stärke des Superfly-Herzens den Unterschied ausmacht. Mit mehr Vinculin, um sie zusammen zu bündeln, benötigen die Zellen eines älteren Herzens weniger Brennstoff, um sich effizient zusammenzuziehen - was bedeutet, dass das Herz insgesamt besser in der Lage ist, Energie zu nutzen. Dies setzt nicht nur Zucker für andere Gewebe frei, sondern versetzt das Herz auch in die Lage, diesen Kraftstoff besser auf den Rest des Körpers zu verteilen. Und voila: superfly Ausdauer.
„Es ist gut, sich darauf zu konzentrieren, länger zu leben, aber wenn die Lebensqualität schlecht ist, hat das keinen Vorteil“, sagt Sessions. "Wir erhöhen nicht nur die Lebensdauer, sondern auch den Stoffwechsel und die Energienutzung im späteren Leben."
Da die Profile der Vinculin produzierenden Fliegen so stark denen von beispielsweise kalorienreduzierten Fliegen ähneln, ist Engler der Ansicht, dass diese Arbeit die Ergebnisse anderer Langlebigkeitsstudien stark untermauert. "Sie gehen dieselben Wege, nur durch unterschiedliche Mechanismen - aber sie erreichen dieselben Ziele", erklärt er.
"Das Ignorieren der Rolle des Kreislaufsystems im Stoffwechsel ist ein wenig einseitig", fügt Sessions hinzu. „Stoffwechsel und Herzfunktion gehen Hand in Hand.“
Das Team von Engler plant, auch in Zukunft die Zusammenhänge zwischen Gewebestruktur und Stoffwechsel zu untersuchen, da diese Informationen eines Tages zur Synthese von langlebigkeitsfördernden Medikamenten beitragen könnten, von denen einige sogar Proteine wie Vinculin zum Ziel haben könnten.
Kristine DeLeon-Pennell, eine Professorin für Herz-Kreislauf-Wissenschaften an der Medizinischen Universität von South Carolina, die nicht an der Studie beteiligt war, lobt die Arbeit, neue Türen in zukünftigen klinischen Kontexten zu öffnen. "Angesichts der Zunahme von Stoffwechselsyndromen bei Herzpatienten ist es wirklich interessant, dass Vinculin eine Verbindung zu dem darstellt, was wir in der Klinik tatsächlich sehen", sagt sie Vinculin.
Aber Engler warnt davor, dass noch viel Arbeit zu tun ist: Wir sind weit davon entfernt, in den Herzen der Menschen von Vinculin zu profitieren. "Wir versuchen nicht vorzuschlagen, dass es eine Pille gibt, die Sie einnehmen können, oder dass Sie damit beginnen müssen, Ihre Ernährung zu ändern, damit Sie Ihren Stoffwechsel länger aufrechterhalten", erklärt er. "Und es ist sicherlich nicht der Jungbrunnen."
DeLeon-Pennell betont auch, dass die Arbeit in komplexeren Organismen wie Säugetieren bestätigt werden sollte, bevor die Forschung fortschreiten kann.
Vorerst gibt es noch gute Nachrichten: Fliegen können gezüchtet werden, um länger zu leben.
Die schlechten Nachrichten? Fliegen können gezüchtet werden, um länger zu leben.
