Mithilfe von künstlicher Intelligenz haben Forscher am CeMM-Forschungszentrum für Molekulare Medizin und der Universität Wien in einer aktuellen Studie Gewebeuhren entwickelt, die das biologische Alter einzelner Organe aus Gewebeschnitten ablesen. Die im Fachjournal Nature Medicine veröffentlichte Untersuchung zeigt, dass Organe unterschiedlich schnell altern und spezifische Krankheitsmuster hinterlassen.
Unser Körper folgt keiner einheitlichen inneren Uhr. Manche Organe bleiben biologisch jünger, während andere schneller altern. Herz, Lunge, Niere oder Bauchspeicheldrüse können daher ein ganz unterschiedliches biologisches Alter haben. Ein internationales Forschungsteam hat nun einen Weg gefunden, diese Unterschiede sichtbar zu machen. Anhand von mehr als 25.000 Gewebeaufnahmen von 983 Menschen analysierten die Wissenschaftler insgesamt 40 verschiedene Gewebetypen von 29 Organen aus Ländern beziehungsweise Regionen, darunter etwa Herz, Lunge und Bauchspeicheldrüse, wie WELT berichtet.
Künstliche Intelligenz entschlüsselt Gewebestrukturen
Um das biologische Alter einzelner Organe zu bestimmen, setzte das Team auf Deep Learning und künstliche Intelligenz. Die entwickelten Modelle schätzten das tatsächliche Alter der Menschen anhand feiner Gewebeschnitte, wobei sich das System im Durchschnitt um knapp fünf Jahre verschätzte. Genau diese Abweichungen erwachen das wissenschaftliche Interesse: Schätzte das Modell ein Gewebe deutlich älter ein, als die betroffene Person tatsächlich war, traten vermehrt krankhafte Veränderungen und Zusammenhänge mit chronischen Erkrankungen auf.
„Unsere Organe speichern ein bemerkenswert detailliertes Bild des Alterungsprozesses
André Rendeiro, Forscher am CeMM
Die Untersuchung macht deutlich, dass sich das Altern nicht nur auf molekularer Ebene abspielt, sondern tief in die Architektur des Gewebes eingreift. Über verschiedene Organe hinweg beobachteten die Forscher strukturelle Merkmale wie Gewebeschwund, Fibrose und eine Abnahme kleiner Blutgefäße. Die Alterung zeigte sich also nicht nur in einzelnen Molekülen, sondern in der Architektur des Gewebes selbst. Laut Ernesto Abila, einem der Erstautoren der Studie, erlaubt der Einsatz von Deep Learning die Erfassung räumlicher Muster, wodurch das Altern als architektonische Umgestaltung und nicht nur als molekulare Veränderung verstanden werden kann.
Unterschiedliche Alterungsprozesse in Lunge, Niere und Bauchspeicheldrüse
Die Gewebeuhren zeigen, dass bestimmte Organe in ganz bestimmten Lebensphasen besonders rasant altern. Bei der Lunge, der Niere, der Bauchspeicheldrüse und der Nebenniere identifizierten die Forscher schon zwischen dem 20. und 40. Lebensjahr Phasen, in denen sie besonders schnell alterten. Bei der Gebärmutter zeigte sich rund um die Menopause eine deutliche Veränderung.
Auch bestimmte Krankheiten hinterließen charakteristische Muster im Gewebe der jeweiligen Organe. Typ-2-Diabetes korreliert mit einer stärkeren Alterung der Bauchspeicheldrüse. Chronische Atemwegserkrankungen spiegeln sich primär in Veränderungen der Lunge wider. Bei Alzheimer zeigten sich die Alterungssignale vor allem im Gehirn, während sich bei einem Schlaganfall die stärkste Abweichung im Gehirn zeigte. Bei Morbus Crohn wirkten verschiedene Bereiche des Magen-Darm-Trakts älter.
Biologische Reservekapazitäten im Alter
Die Gewebeanalysen ergänzen das medizinische Standardwissen über den altersbedingten Funktionsverlust von Zellen, Geweben und Organen. Alle vitalen Organe beginnen, wie MedlinePlus ausführt, im Laufe des Alterns an Leistungsfähigkeit zu verlieren. Da Organe jedoch über eine Reserve verfügen – das Herz eines 20-Jährigen ist beispielsweise in der Lage, etwa die zehnfache Menge des tatsächlich benötigten Blutes zu pumpen –, bleibt dieser Verlust im Alltag oft lange unbemerkt.
Nach dem 30. Körperlicher Stress wie Erkrankungen, Medikamente oder veränderte Umweltbedingungen bringen ältere Organe daher schneller an ihre Leistungsgrenze. Verbindet man diese physiologischen Grundlagen mit den neuen KI-gestützten Gewebemodellen, entsteht ein umfassenderes Bild davon, wie sich organbezogene Alterungsprozesse auf den Gesamtkörper auswirken.
Ausblick auf Blutbasierte Organ-Alterungstests
In einem weiteren Schritt verknüpften die Forscher die Gewebedaten mit der Genaktivität im Blut. Daraus entwickelten sie Modelle, die anhand von Blutproben auf die Alterung einzelner Organe schließen sollen, ohne dafür Gewebe entnehmen zu müssen.
Damit könnte eine Blutprobe also künftig Hinweise darauf geben, welches Organ besonders schnell altert. Noch sind die Forscher allerdings nicht so weit, da die Modelle vor allem an Menschen getestet wurden, die bereits erkrankt waren, und die Studie deshalb bislang nur zeigt, dass bestimmte Alterungssignale vorliegen.
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