Zelluläre Seneszenz und Senolytika

Senotherapeutika können in der Tumortherapie wie auch zur Verbesserung des gesundheitlichen Status gesunder Menschen Anwendung finden

Abstract: Zelluläre Seneszenz bezeichnet eine Eigenschaft von Zellen, die Proliferation permanent einzustellen. Dies erfolgt, wenn das Zellteilungspotenzial normaler Zellen ausgeschöpft ist (replikative Seneszenz) oder Zellen durch Einwirkungen auf die Replikation und Struktur der DNA gestresst werden. Dies kann durch mannigfache genotoxische Expositionen, denen wir ausgesetzt sind (Sonnenlicht, ionisierende Strahlung, Karzinogene in der Umwelt und der Nahrung), wie auch in der Tumortherapie erfolgen. Hier bedeutet die Induktion der Seneszenz, dass Tumorzellen durch Zytostatika nicht abgetötet werden, sondern in einen ruhenden Zustand übergehen. Dieser ist charakterisiert durch eine dauerhafte Aktivierung von intrazellulären Signalwegen, die die Zellzyklusprogression hemmen, Apoptosewege blockieren und Entzündungsmediatoren freisetzen. Senotherapeutika töten gezielt seneszente Zellen oder hemmen deren inflammatorische Eigenschaften. Sie werden diskutiert nicht nur zur Ergänzung der Krebstherapie, sondern auch zur Verbesserung des gesundheitlichen Status gesunder Menschen.

Ein Biologen-Traum ging in Erfüllung, als es möglich wurde, menschliche Zellen in der Zellkultur am Leben zu halten und zu vermehren. Dieses Kunststück gelang erstmals dem Zellbiologen George Gey in seinem Forschungslabor am John Hopkins Hospital in Baltimore, USA, im Jahre 1951. Er erhielt Material aus der Pathologie von einer Patientin namens Henrietta Lacks, einer 31-jährigen Afroamerikanerin, die an Gebärmutterhalskrebs erkrankt war und daran starb. Die Zellen ließen sich offenbar unbegrenzt vermehren und passagieren. Er gab der aus dem Tumormaterial gewonnenen Zelllinie den Namen HeLa, angelehnt an den Namen der Patientin (Abb. 1). HeLa war eine der ersten dauerhaft wachsenden Zelllinien. Sie wurde von Labor zu Labor weitergegeben und wird heute in Form unterschiedlicher Sublinien in sehr vielen Labors weltweit zu experimentellen Zwecken verwendet.

Bis zu diesem Zeitpunkt starben alle Zellkulturen aus normalem Gewebe oder Tumormaterial bereits nach wenigen Tagen oder Wochen, was das Durchführen und die Reproduzierbarkeit von Experimenten sehr erschwerte. HeLa ist, wie andere Krebs-Zelllinien auch, eine unsterbliche, immortalisierte Zelllinie. Der Karyotyp, d.h. der Chromosomensatz, ist von dem normaler menschlicher Zellen deutlich abweichend.

Im Gegensatz zu den etablierten, unsterblichen Krebszelllinien haben primäre, diploide Zelllinien (Chromosomenzahl 46) ein begrenztes Wachstum. Im Labor werden die Zellen, sobald die Kulturflasche vollgewachsen ist, durch Trypsin von der Unterlage abgelöst und in einem bestimmten Verhältnis verdünnt erneut ausgesät – ein Vorgang, der als Passagierung bezeichnet wird. Dieses Passagieren kann man aber nicht unbegrenzt durchführen, denn nach einiger Zeit stellen die Zellen das Wachstum ein. Sie veränderten ihre Form, werden immer größer und sind nicht mehr die langgestreckten Fibroblasten, wie sie in jungen Kulturen zu sehen sind. Offenbar altern die Zellen in der Zellkultur.

Dieses Phänomen haben Leonard Hayflick und Paul Moorhead, Zellbiologen am Wistar Institut für Anatomie und Biologie in Philadelphia, USA, erstmalig systematisch untersucht. Sie beobachteten, dass Fibroblasten (aus normalem Gewebe; Abb. 2a,b) in der Zellkultur mit zunehmender Kultivierungszeit immer langsamer proliferieren, sich nur maximal etwa 50-mal passagieren lassen und am Ende der Kultivierung morphologisch verändert sind. Ihre Chromosomenzahl blieb jedoch bis zum Ende der Zellkultur konstant. Fror man die Zellen bei –70 °C ein und setzte das Experiment lange Zeit später nach dem Auftauen fort, so blieb die maximale Passagezahl erhalten. Sie schlussfolgerten, dass es einen Mechanismus in den menschlichen Zellen geben muss, der die Zellteilungen zählt und der für das Altern der Zellen verantwortlich ist. Sie beschrieben dieses Phänomen als zelluläre Seneszenz [1]. Die „magische Zahl“ 50 ist als das Hayflick-Limit in die Wissenschaft der Altersforschung eingegangen.

Das Altern der Zellen in der Zellkultur wurde als Reflektion des organismischen Alterns angesehen und intensiv beforscht. Inzwischen ist der Mechanismus der zellulären Seneszenz, die als replikative Seneszenz bezeichnet wird, weitgehend aufgeklärt: Sie beruht darauf, dass die Enden der riesigen DNA-Moleküle, die jeweils ein Chromosom ausmachen, mit jeder DNA-Verdopplung, die der Zellteilung vorausgeht, ein wenig kürzer werden.

Die DNA-Enden verpackt in den Chromosomen haben eine besondere Struktur, die verhindert, dass die Zelle das Chromosomenende als Chromosomenbruch ansieht. Auf der Ebene des Chromosoms kann man die Struktur durch Färbung sichtbar machen: es sind die Telomere (Abb. 2c). Die Telomere werden also mit jeder Zellteilung kürzer, bis von ihnen eine Art Notsignal an Enzymsysteme ausgeht, mit der Aufforderung, die Zelle im Zellzyklus zu arretieren und die Zellteilung einzustellen. Im Gegensatz zu früheren Ansichten, das Zellaltern stelle eine Art von Abnutzungserscheinung dar oder beruhe auf dem Verbrauch von lebenswichtigen Komponenten im Zellkulturmedium oder der Ansammlung von Chromosomenschäden, ist die zelluläre Seneszenz ein inhärenter Vorgang, der durch Enzymsysteme der Zelle gesteuert wird [2].

Es gibt jedoch auch andere endogene sowie exogene Auslöser der zellulären Seneszenz. Diese sind vor allem DNA-schädigende Noxen. Zur replikativen Seneszenz kommt also eine stressinduzierte Seneszenz (SIPS = stress-induced premature senescence) hinzu. DNA-Stress wird ausgelöst durch Onkogenaktivierung, welche unplanmäßige, unkoordinierte DNA-Replikation bewirkt, was sekundär zu DNA-Brüchen führt. Weiterhin werden DNA-Schäden als Ausgangspunkt der Seneszenz durch oxidativen Stress verursacht, unter anderem durch den normalen zellulären Metabolismus und die mitochondriale Aktivität, durch mannigfache exogene Genotoxine und schließlich auch durch Strahlung und Therapeutika zur Krebsbehandlung. Hierfür wurde der Begriff Therapy-induced Senescence (TIS) geprägt (Abb. 3).

Mutationen in Genen, die in der DNA-Reparatur oder der DNA-Schadensantwort involviert sind, führen zu Krankheiten, die sich durch eine genomische Instabilität auszeichnen und gekennzeichnet sind durch unterschiedliche degenerative Erkrankungen, eine erhöhte Krebsinzidenz und ein vorzeitiges Altern (premature aging syndromes). Die Zellen dieser Patienten zeigen alle Anzeichen eines stressinduzierten vorzeitigen Alterns (SIPS), was durch eine über Jahre hinweg erfolgende Akkumulation von DNA-Schäden bedingt ist, die aus dem jeweiligen DNA-Reparaturdefekt resultiert.

Seneszente Zellen zeichnen sich durch folgende Charakteristika aus (zusammengefasst in Abb. 4): irreversibler Zellzyklusblock, Veränderungen im Epigenom (die sog. CpG-DNA-Methylierung) und der Genexpression, damit einhergehend metabolische Veränderungen, Veränderungen der Chromatinorganisation, Veränderung der Zellmorphologie sowie Apoptoseprotektion. Der letzte Punkt ist klinisch besonders relevant; denn die Blockade der Apoptosewege führt dazu, dass seneszente Zellen resistent gegenüber klassischen Krebstherapeutika sowie Bestrahlung sind. Sie werden also in der Krebstherapie nicht beseitigt. Das Gegenteil ist der Fall: Sie werden durch die Wirkung gentoxisch wirkender Zytostatika gebildet.

Seneszente Zellen zeigen auch eine Ansammlung von DNA-Schäden [3]. Diese Beobachtung verdient besonderes Interesse, da davon ausgegangen werden kann, dass nichtreparierte DNA-Schäden das Signal in der Zelle an Enzymsysteme (Kinasen) weitergeben, die Seneszenz einzuleiten und diese aufrechtzuerhalten. Seneszente Zellen weisen insbesondere mehr DNA-Doppelstrangbrüche auf als proliferierende Zellen und Zellen, die nicht proliferieren, doch einem bestimmten Differenzierungszustand angehören, wie Hepatozyten oder Nervenzellen.

Woher kommen diese DNA-Schäden? In seneszenten Zellen werden häufig verstärkt reaktive Sauerstoffradikale (ROS) produziert, welche die DNA schädigen, indem DNA-Basen oxidiert oder DNA-Brüche induziert werden. Wir haben dies in therapieinduzierten Glioblastomzellen gezeigt [4]. Unter normalen Umständen können diese DNA-Schäden repariert werden, sodass der Basislevel gering ist. In seneszenten Zellen jedoch ist, wie neuere Untersuchungen zeigten, die DNA-Reparatur durch Downregulation von DNA-Reparaturgenen heruntergefahren. Das ist bemerkenswert und in diesem Ausmaß von keinem anderen Zelltyp oder Differenzierungszustand bekannt. Möglicherweise handelt es sich sogar um eine programmierte Suppression verschiedener DNA-Reparaturwege [5, 6].

Biologisch gesehen wäre die Herunterregulation der DNA-Reparatur ein durchaus sinnvoller Vorgang; denn genetisch stark geschädigte Zellen würden auf diese Weise schneller in einen ruhenden Zustand übergehen (oder durch apoptotischen Zelltod eliminiert werden), womit die Fixierung von DNA-Schäden in Mutationen durch die DNA-Replikation vermieden würde. Zum anderen brauchen seneszente Zellen DNA-Schäden insbesondere in Form von DNA-Doppelstrangbrüchen, um durch die permanente Aktivierung der DNA-Schadensantwort im seneszenten Zustand zu bleiben. Die permanente Aktivierung der DNA-Schadensantwort (DNA damage response, DDR) ist für die Aufrechterhaltung der zellulären Seneszenz essentiell.

Seneszente Zellen sekretieren eine Vielzahl von Zytokinen und Wachstumsfaktoren. Etliche davon haben proinflammatorische Eigenschaften, d.h. sie bewirken und fördern Entzündungsprozesse. Diese Eigenschaft seneszenter Zellen ging als Senescence-associated secretory phenotype (SASP) in die Literatur ein. Die Auswirkungen sind weitreichend. Zytokine und Wachstumsfaktoren haben autokrine und parakrine Effekte und somit Einfluss auf das Gewebe-Mikromilieu. Im normalen Gewebe fördern seneszente Zellen die Wundheilung; im entzündlichen Gewebe fördern sie die Entzündung. Im Tumorgewebe beeinflussen sie das Tumor-Mikromilieu und bewirken Vorgänge, die das Tumorwachstum anregen können. Sie fördern auch das unkontrollierte Wachstum von Bindegewebe und damit von Fibrosen, die mitunter eine lebensbedrohliche Spätwirkung der Tumortherapie sind. Man geht davon aus, dass sich seneszente Tumorzellen nachteilig auf die Tumortherapie auswirken [7].

Lange hat man nach biochemischen Markern für seneszente Zellen gesucht. Der wohl prominenteste biochemische Marker ist die verstärkte Expression des Enzyms β-Galaktosidase, auch als Seneszenz-assoziierte β-Galaktosidase bezeichnet (SA-βGAL). Weitere Marker sind Lamin B1, das trimethylierte Histon H3K27 und die Hochregulation der Cyclin-Inhibitoren p16 und p21. SA-βGAL wird häufig zur Quantifizierung seneszenter Zellen in der Zellkultur über Anfärbung von Zellen (Beispiele zur Morphologie und Färbung seneszenter Zellen in Abb. 5) oder durch Durchflusszytometrie wie auch immunhistochemisch in Geweben herangezogen.

Zelluläre Seneszenz ist ein zweischneidiges Schwert. Zum einen hat zelluläre Seneszenz eine biologische Funktion, indem sie z. B. die Wundheilung fördert. Im Tumorgewebe wird durch den permanenten Teilungsstopp das Tumorwachstum gehemmt. Auf der anderen Seite bewirken seneszente Zellen über den SASP (Ausschüttung von Zytokinen wie IL-1β, IL-6, IL-8, TGF-β1, TGF-β3) eine lokale und systemische Entzündung. Der SASP ist zudem immunsuppressiv und fördert Fibrosen durch unkontrolliertes Bindegewebswachstum [8].

Die molekularen Mechanismen der zellulären Seneszenz durch endogene und exogene Einflüsse sind gegenwärtig ein heißes Forschungsthema. So unterschiedlich die Auslöser der zellulären Seneszenz sind (siehe Abb. 3), so lässt sich doch der primäre Trigger in einem Modell vereinheitlichen. Dieses geht davon aus, dass eine erhöhte Menge an kritischen DNA-Schäden, insbesondere DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs), verantwortlich für die Induktion wie auch die Aufrechterhaltung der Seneszenz ist. Diese aktivieren die „klassische“ DNA-Schadensantwort und downstream DNA-schadensabhängige Zellzyklus-Kontrollpunkte, was letztendlich zur Arretierung der Zellen in der G1- oder G2-Phase des Zellzyklus führt (Abb. 7). Hierbei spielt die verstärkte Expression und Aktivierung zweier Proteine eine Rolle: p21 und p16. Diese haben inhibitorische Wirkung auf Cycline, die den Zellzyklus steuern. Dadurch werden die Zellen entweder in der G1-Phase oder G2-Phase des Zellzyklus arretiert (Abb. 7).

Die Ursachen der DNA-Schädigung sind der normale zelluläre Metabolismus, exogene Genotoxine, genotoxisch wirkende Krebstherapeutika und eine im Zuge der Seneszenz schrittweise erfolgende Herunterregulation der DNA-Reparatur [9]. Normalerweise besteht zwischen spontan induzierten und reparierten DNA-Schäden ein Gleichgewicht. So werden durch spontane Hydrolyse von DNA-Basen pro Zelle täglich etwa 30.000 Schäden (apurine Stellen) erzeugt. Hinzu kommen oxidative Schäden durch intrazellulär gebildetes ROS, durch DNA-Methylierungen bedingt durch den intrazellulären Methylgruppendonor S-Adenosylmethionin (SAM) und Desaminierung von Basen (zum Beispiel von Cytosin zu Uracil oder 5-Methylcytosin zu Thymin), die zu Basenfehlpaarungen führen [10]. Wird die DNA-Reparatur im Zellkern heruntergefahren, indem Reparaturgene stillgelegt und weniger Reparaturenzyme bereitgestellt werden, so gerät dieses Gleichgewicht in Schieflage und DNA-Schäden reichern sich an.

Besonders kritisch sind die mehrfach erwähnten DNA-Doppelstrangbrüche (Abb. 6). Diese aktivieren die Kinase ATM, welche – vermittelt durch einen trimeren Proteinkomplex, den MRN-Komplex – diese Brüche erkennt, an diese bindet und eine Vielzahl (mehr als 500 sind beschrieben worden) von Proteinen im Anschluss phosphoryliert. In der Regel führt dies zur Aktivierung dieser Proteine. Darunter sind Kinasen, die weitere Proteine phosphorylieren und diese aktivieren. Es handelt sich also um eine Enzymkaskade, die in Gang gesetzt wird mit dem Ziel, das primäre Signal (nämlich den DNA-Bruch) zu verstärken. Dadurch wird eine ganze Batterie von Faktoren aktiviert (oder blockiert), mit der Folge, dass die Zelle entweder durch Apoptose (programmierten Zelltod) stirbt oder im Zellzyklus stehen bleibt [11].

Zelluläre Seneszenz ist besonders gut in Tumorzellen untersucht worden. Alle klassischen Zytostatika schädigen die Tumorzell-DNA in direkter oder, indem sie den DNA-Stoffwechsel beeinflussen, indirekter Weise. Daher wird in der Tumortherapie das, was unter normalen Umständen innerhalb von Jahrzehnten im Zuge des normalen Alterns passiert, im Zeitraffertempo vollzogen: DNA-Schäden werden in großer Menge durch Therapeutika induziert, sie werden durch fehlende oder gesättigte DNA-Reparatur nicht ausreichend repariert, reichern sich an und aktivieren den Seneszenz-Pathway. Hierbei spielen neben den nukleären Kinasen ATM, ATR und DNA-PK, die durch DNA-Schäden aktiviert werden, einige andere Proteine eine Schlüsselrolle. Es sind die Checkpoint-Kinasen CHK1 und CHK2, die durch ATR und ATM phosphoryliert und damit aktiviert werden, sowie das p53-Protein, das im phosphorylierten Zustand zum Transkriptionsfaktor wird und Gene aktiviert. Darunter befindet sich das Gen, das das bereits erwähnte p21-Protein kodiert. Die p21-Induktion ist ein exzellenter und zuverlässiger Indikator für eine p53-Aktivierung, wie man es im Experiment immer wieder deutlich sehen kann. Das Protein wirkt als ein Inhibitor einer Cyclin-abhängigen Kinase, der CDK2, indem es an einen Proteinkomplex, bestehend aus CDK2-Cyclin E, bindet und diesen „neutralisiert“. Dadurch kann das Retinoblastom-Protein (Rb) nicht phosphoryliert und aus seinem Komplex mit dem Transkriptionsfaktor E2F freigesetzt werden. E2F aktiviert Gene, die für die G2/M-Transition notwendig sind. Die Zellen werden dadurch in der G2-Phase des Zellzyklus blockiert (Abb. 7).

Obwohl nicht durch p53 reguliert, steigt auch die Menge von p16 nach DNA-Schädigung an. Das p16-Protein ist wie p21 ein CDK-Inhibitor: Es bindet an CDK4/6-Cyclin D und verhindert die Aktivierung der entsprechenden Kinasen und somit die Phosphorylierung von Rb. Dadurch werden S-Phasen-abhängige Gene nicht transkribiert, was einen Zellzyklusarrest in der G1-Phase zur Folge hat. Diesen Szenarien zufolge sind seneszente Zellen in der G1- oder der G2-Phase permanent arretiert. Da Tumorzellen häufig in Genen, die die Seneszenz regulieren, mutiert sind, ist die Seneszenzinduktion und Seneszenzausbeute nach genotoxischer Therapie variabel und tumorzellspezifisch. p53 ist häufig in Tumoren mutiert, allerdings tumorspezifisch in unterschiedlichem Ausmaß. Das p53-Tumorsuppressorprotein fördert den Eintritt in die Seneszenz, ist aber nicht unbedingt hierfür erforderlich, da der p16-Pathway ohne p53 auskommt (siehe Abb. 7).

Per Definition bedeutet Seneszenz eine irreversible Arretierung der Zellen im Zellzyklus und damit die Unfähigkeit der Zellen, weiter zu proliferieren. Dieses Paradigma ist allerdings in letzter Zeit aufgeweicht worden, da gezeigt wurde, dass seneszente Zellen durchaus erneut in den Zellzyklus eintreten können; sie können also dem Altern entkommen [12]. Die zugrunde liegenden Vorgänge sind noch völlig unbekannt. Aufhebung der Seneszenz scheint ein seltenes Ereignis zu sein, vergleichbar mit einer Mutation (1 pro 100.000 Zellen) [13]. Doch reicht es aus, um aus einer seneszenten Population einen wachstumsfähigen Zellklon zu bilden. Dies ist kritisch in der Tumortherapie, da genotoxische Tumortherapeutika, einschließlich Bestrahlung, neben Apoptose auch Seneszenz induzieren. So haben wir gezeigt, dass das alkylierende Zytostatikum Temozolomid etwa 20 % Apoptose und 80 % Seneszenz in einer Tumorzellpopulation (Glioblastomzellen) induziert [4]. Mit anderen Worten: Die Hauptwirkung von Temozolomid und möglicherweise auch anderer Tumortherapeutika ist nicht Zelltod, sondern zelluläre Seneszenz. Daraus folgt, dass während und nach der Tumorchemotherapie ein Teil des Tumors nicht entfernt wird, sondern als seneszente, lebende Tumormasse liegen bleibt. Dies können größere wie auch kleinere, mit dem bloßen Auge nicht sichtbare Tumorherde sein. Würden diese irreversibel in der Proliferation blockiert sein, so würde es bedeuten, dass kein Tumorprogress erfolgt. Wenn aber auch nur einige wenige Zellen aus dem seneszenten Zellpool ausscheren und erneut beginnen, zu proliferieren, so bedeutet dies klinisch ein Rezidiv, d.h. ein neuer Tumor, der aus dem bereits behandelten hervorgeht. Genau dies wird tatsächlich immer wieder beobachtet. Selbst bei Mammakarzinomen, die scheinbar erfolgreich behandelt wurden, kann noch mehrere Jahre nach der Strahlen- und Chemotherapie erneut ein Tumor, ein Rezidiv, auftreten. Offenbar können Tumorzellen selbst eine intensive adjuvante Therapie überleben und sich über sehr lange Zeiträume im Körper „verstecken“. Die Überlegung, dass es sich hierbei um einen therapieinduzierten Ruhezustand in der Seneszenz handelt, aus der auch nur eine oder wenige Zellen klonal erneut einen Tumor bilden, ist folglich nicht von der Hand zu weisen. In meinen Augen ist dies das überzeugendste Konzept zur Erklärung von spät auftretenden Rezidiven.

Angesichts dessen wäre es wünschenswert, eine Therapie durchzuführen, die speziell auf seneszente Zellen abzielt. Es bleibt also die Frage, ob und wie seneszente Zellen abgetötet werden können. Tatsächlich gibt es Senotherapeutika, auf die ich im Folgenden eingehen werde. Es gibt zwei Gruppen von Senotherapeutika: Senolytika und Senomorphika. Senolytika sind Stoffe, die spezifisch seneszente Zellen abtöten; Senomorphika sind Verbindungen, die den SASP unterdrücken (Abb. 8).

Die Wirkung der Senolytika beruht darauf, dass sie die Apoptoseblockade, die typisch für seneszente Zellen ist, aufheben. Sie greifen also Proteine an, die als Apoptoseinhibitoren bekannt sind, binden an diese und blockieren sie in der Wirkung. Proliferierende Zellen oder terminal differenzierte Zellen werden auf diese Weise nicht abgetötet. Senolytika induzieren folglich in der Regel Apoptose selektiv in seneszenten Zellen. Die ersten spezifisch wirkenden Senolytika wurden 2015 in einem Drug-Screening identifiziert [14]. Es stellte sich heraus, dass Dasatinib (Sprycel), ein bereits 1996 zugelassenes Medikament zur Behandlung von Leukämien, potent senolytisch wirkt. Auch der Naturstoff Quercetin, ein Flavonoid und Polyphenol, der in Gemüse und Früchten vorkommt, wirkt senolytisch. Die Kombination von Dasatinib und Quercetin erwies sich jedoch als besonders wirksam. Dasatinib ist ein Inhibitor von BCR-ABL, einem aktivierten Onkogen, das die Zellteilung in Leukozyten vorantreibt, während Quercetin Bcl-2 und PI3-Kinasen hemmt. In Mäusen war die Kombination bei einer Reihe entzündlich-degenerativer Erkrankungen wirksam, und die Lebenserwartung der Tiere war verlängert. Daher wurde die Kombination populär und ausgelobt auch für eine senolytische Verjüngung beim Menschen. Klinische Studien hierzu gibt es allerdings nicht.

Weitere Senolytika sind synthetisch hergestellte Verbindungen, die gezielt Faktoren angreifen, die die Apoptose regulieren, so die inhibitorisch wirkenden Proteine Bcl-2, Bcl-XL, Bcl-W oder die Transkriptionsfaktoren p53, FOXO4 oder die Ubiquitinase USP7. Einige synthetische Verbindungen sind zumindest im Experiment potent und sehr selektiv wirksam. So das Navitoclax, ein Medikament, das zur Behandlung der Myelofibrose verwendet wird. Sehr wirksam ist eine Verbindung namens ABT-737, die im Experiment (im Labor des Autors) zuverlässig und selektiv senolytisch wirkte [15].

Besonders interessant sind Naturstoffe mit senolytischer Wirkung. Von zehn getesteten Flavonoiden erwies sich Fisetin, ein in Pflanzen vorkommender gelber Naturstoff und Polyphenol aus der Gruppe der Flavonole (Abb. 9), als besonders wirksam und wurde bzw. wird ausgelobt als ein Senotherapeutikum, das die Gesundheit positiv beeinflusst und die Lebensspanne verlängert. Dies wurde an verschiedenen Modellorganismen gezeigt [16]. In einer Studie an Glioblastomzellen, die durch das Medikament Temozolomid in die Seneszenz getrieben wurden, haben wir eine senolytische Wirkung für Curcumin und Artesunat nachgewiesen [15]. Insgesamt sind bisher etwa ein Dutzend Verbindungen mit senolytischer Wirkung identifiziert worden [8].

Senomorphika sind Verbindungen, die den SASP und damit die Freisetzung proinflammatorischer Faktoren aus seneszenten Zellen unterdrücken. Hierzu gehören Metformin, Rapamycin, Resveratrol, Statine und auch wieder Naturstoffe wie Quercetin, Epigallocatechingallat (EGCG) aus grünem Tee und Genistein aus Erbsen und Bohnen (Abb. 8). Von diesen ist Metformin besonders interessant. Metformin ist als Medikament bei Typ-2-Diabetes zugelassen. In experimentellen Studien wurde eine Verlängerung der Lebensspanne beim Wurm C. elegans und bei Mäusen nachgewiesen, sodass eine geroprotektive Wirkung vorzuliegen scheint. Diese kann durch Suppression der zellulären Seneszenz und des SASP erklärt werden. Klinische Studien laufen. Sollten sie positiv ausgehen, so würde das weltweit sehr häufig verwendete Medikament mit gut bekannter Wirkung und Nebenwirkung als „repurposed drug“ einen neuen Anwendungsbereich finden. Erwähnt sei, dass Fisetin (Abb. 9) im hohen Dosisbereich zytotoxisch und leicht genotoxisch wirkt [17]. Dies ist auch von anderen Naturstoffen wie Quercetin bekannt, die in hohen Dosen prooxidative Wirkung haben [18], was die Grundlage für einen „Hormesis“-Effekt sein könnte. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass moderater zellulärer Stress zur Aktivierung zellulärer Schutzmechanismen führt, die langfristig gesundheitsfördernd und lebensverlängernd wirken.

Was sind die Implikationen? Geht man vom Mechanismus aus, über den zelluläre Seneszenz induziert wird (Abb. 3), so muss man feststellen, dass jede genotoxische Exposition das Potenzial hat, zelluläre Seneszenz zu induzieren. Geht man davon aus, dass seneszente Zellen im Körper den Alterungsprozess vorantreiben, ja ihn verursachen, so impliziert dies weiterhin, dass endogene und exogene Genotoxine den Alterungsprozess verstärken. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass Genotoxinvermeidung eine Investition in die Zukunft ist, da es dem Alterungsprozess entgegenwirkt. Dies bedeutet aus meiner Sicht nicht, dass Altern „heilbar“ wird; denn Altern ist keine Krankheit (wenn Krankheit definiert wird als Abweichung vom normalen gesundheitlichen Zustand), sondern ein physiologischer Vorgang, der sich aus dem Zusammenspiel endogener (DNA-Schädigung und Reparatur, DNA-Schadensantwort, Regulation der DNA-Synthese und Zellproliferation) und exogener Faktoren (insbesondere genotoxische Expositionen) ergibt. Genotoxinvermeidung ist nicht vollständig möglich. Endogen werden immer Genotoxine gebildet, so aus der mitochondrialen Aktivität, dem Lipidstoffwechsel und aus der bakteriellen Aktivität insbesondere im Gastrointestinaltrakt. Hinzu kommen die exogenen Genotoxine aus der Nahrung und Genussmitteln, dem UV-Anteil des Sonnenlichts und der natürlichen ionisierenden Strahlung, der wir alle ausgesetzt sind. Weiter zu nennen sind Genotoxine aus Pharmaka.

Die klassische Krebstherapie beruht auf Strahlung und Chemotherapie mit Zytostatika, die Tumorzellen möglichst selektiv eliminieren sollen. Das gelingt in den seltensten Fällen. Die geringe Tumorspezifität bedingt die starken Nebenwirkungen durch Toxizität auf das gesunde Gewebe und die geringe Effizienz der Therapie. Das Hauptangriffsziel der klassischen Zytostatika ist die DNA. Diese wird entweder alkyliert, oxidiert oder durch Einbau von modifizierten Bausteinen so verändert, dass sie funktionell beeinträchtigt wird und das Zelltodprogramm oder aber das Seneszenzprogramm abgerufen wird. Angesichts der negativen Folgen der Seneszenz liegt es auf der Hand, die Tumortherapie zu koppeln mit Strategien, die darauf abzielen, die Induktion der Seneszenz zu vermeiden oder aber seneszente Zellen in ihrer Funktion zu beeinträchtigen. Senotherapeutika dienen diesem Ziel.

Da wenig bekannt ist, wie Senotherapeutika mit den Zytostatika interagieren, ist eine Doppelschlag-Strategie (one-two-punch) sinnvoll: Nach klassischer Zytostatika-Therapie, die sich meist über längere Zeiträume erstreckt und in mehreren Zyklen durchgeführt wird, sollte in Intervallen mit Senolytika, die soweit bekannt nebenwirkungsfrei sind, behandelt werden. Auch nach der Strahlentherapie könnte in Intervallen senolytisch therapiert werden. Ziel ist die Beseitigung seneszenter Tumorzellen, die sich einer adjuvanten zytotoxischen Krebstherapie entzogen haben, um das Risiko zur Bildung später Rezidive zu reduzieren. Für die Tumortherapie würde es bedeuten, jede genotoxische Therapie mit senolytischer (nebenwirkungsfreier) Therapie im alternierenden Verfahren zu koppeln.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Kopplung genotoxischer Therapien mit Verbindungen, die den Eintritt der Tumorzellen in die Seneszenz verhindern und stattdessen den Apoptose-Pathway aktivieren. Zu diesen Stoffen, die ich als Senopreventika bezeichnen möchte, scheint Fisetin (Abb. 8) zu gehören. Es liegt auf der Hand, dass weitere Studien, insbesondere unter Einbeziehung von Naturstoffen, notwendig sind, um zu erfahren, ob die erwähnten Strategien bei supportiver Anwendung von Senotherapeutika zur Ergänzung konventioneller krebstherapeutischer Verfahren erfolgreich sind.

Fazit

Es mehren sich die Hinweise darauf, dass seneszente Zellen, wenn auch mit geringer Wahrscheinlichkeit, aus dem seneszenten Zustand in einen proliferativen übergehen können, was eine Erklärung für Rezidive wäre, die noch lange Zeit nach der Tumortherapie auftreten können. Um dies wie auch den chronisch inflammatorischen Zustand zu verhindern, ist die Elimination seneszenter Tumorzellen wünschenswert. Dies kann durch Anwendung von Senotherapeutika (Senolytika, Senomorphika) erreicht werden. Senolytika zeichnen sich dadurch aus, dass sie selektiv seneszente Zellen erkennen und abtöten, was meist durch Aufhebung der Apoptoseblockade geschieht. Senomorphika haben einen inhibitorischen Einfluss auf die Sekretion inflammatorischer Zytokine aus seneszenten Zellen. Einige Naturstoffe wie Fisetin und Quercetin gehören diesen Gruppen an.

Senotherapeutika werden heute stark diskutiert – nicht nur zur Ergänzung konventioneller Behandlungen in der Krebsherapie, sondern auch zur Verbesserung des gesundheitlichen Status („Verjüngung“) gesunder Menschen.

Danksagung

Mein herzlicher Dank gilt allen Doktoranden, die sich an den hier erwähnten Studien beteiligt haben, insbesondere Lea Beltzig.

Literatur

[1] Hayflick L., Moorhead P. S.: The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res, 25: 585–621 (1961)

[2] Cristofalo V. J. et al.: Replicative senescence: a critical review. Mech Ageing Dev, 125: 827–848 (2004)

[3] Chen J. H., Hales C. N., Ozanne S. E.: DNA damage, cellular senescence and organismal ageing: causal or correlative? Nucleic Acids Res, 35: 7417–7428 (2007)

[4] Beltzig L. et al.: Senescence Is the Main Trait Induced by Temozolomide in Glioblastoma Cells. Cancers (Basel), 14 (2022)

[5] Aasland D., Götzinger L., Hauck L., Berte N., Meyer J., Effenberger M., Schneider S., Reuber E. E., Roos W. P., Tomicic M. T. et al.: Temozolomide Induces Senescence and Repression of DNA Repair Pathways in Glioblastoma Cells via Activation of ATR-CHK1, p21, and NF-kappaB. Cancer Res, 79: 99–113 (2019)

[6] Collin G., Huna A., Warnier M., Flaman J. M., Bernard D.: Transcriptional repression of DNA repair genes is a hallmark and a cause of cellular senescence. Cell Death Dis, 9: 259 (2018)

[7] Coppé J. P., Desprez P. Y., Krtolica A., Campisi J.: The senescence-associated secretory phenotype: the dark side of tumor suppression. Annu Rev Pathol, 5: 99–118 (2010)

[8] Zhang L., Pitcher L. E., Prahalad V., Niedernhofer L. J., Robbins P. D.: Targeting cellular senescence with senotherapeutics: senolytics and senomorphics. FEBS J, 290: 1362–1383 (2023)

[9] Kandhaya-Pillai R., Miro-Mur F., Alijotas-Reig J., Tchkonia T., Schwartz S., Kirkland J. L., Oshima J.: Key elements of cellular senescence involve transcriptional repression of mitotic and DNA repair genes through the p53-p16/RB-E2F-DREAM complex. Aging (Albany NY), 15: 4012–4034 (2023)

[10] Lindahl T.: Instability and decay of the primary structure of DNA. Nature, 362: 709–715 (1993)

[11] Roos W. P., Kaina B.: DNA damage-induced cell death: from specific DNA lesions to the DNA damage response and apoptosis. Cancer Lett, 332: 237–248 (2013)

[12] Saleh T., Tyutyunyk-Massey L., Gewirtz D. A.: Tumor Cell Escape from Therapy-Induced Senescence as a Model of Disease Recurrence after Dormancy. Cancer Res, 79: 1044–1046 (2019)

[13] Roberson R. S., Kussick S. J., Vallieres E., Chen S. Y., Wu D. Y.: Escape from therapy-induced accelerated cellular senescence in p53-null lung cancer cells and in human lung cancers. Cancer Res, 65: 2795–2803 (2005)

[14] Zhu Y. et al.: The Achilles’ heel of senescent cells: from transcriptome to senolytic drugs. Aging Cell, 14: 644–658 (2015)

[15] Beltzig L., Christmann M., Kaina B.: Abrogation of Cellular Senescence Induced by Temozolomide in Glioblastoma Cells: Search for Senolytics. Cells, 11 (2022)

[16] Yousefzadeh M. J., Zhu Y., McGowan S. J., Angelini L., Fuhrmann-Stroissnigg H., Xu M., Ling Y. Y., Melos K. I., Pirtskhalava T., Inman C. L. et al.: Fisetin is a senotherapeutic that extends health and lifespan. EBioMedicine, 36: 18–28 (2018)

[17] Beltzig L., Christmann M., Dobreanu M., Kaina B.: Genotoxic and Cytotoxic Activity of Fisetin on Glioblastoma Cells. Anticancer Res, 44: 901–910 (2024)

[18] Wang Y., He Y., Rayman M. P., Zhang J.: Prospective Selective Mechanism of Emerging Senolytic Agents Derived from Flavonoids. J Agric Food Chem, 69: 12418–12423 (2021)

Über den Autor

Prof. Dr. Bernd Kaina (geb. 1950 in Drewitz, Niederlausitz) studierte Biologie und Genetik in Halle, promovierte dort zum Dr. rer. nat. und arbeitete als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Genetik und Kulturpflanzenforschung in Gatersleben, als EU-Stipendiat am Laboratory of Molecular Genetics in Leiden, am Krebsforschungszentrum in Heidelberg und als Heisenberg-Stipendiat der DFG am Institut für Genetik am Kernforschungszentrum in Karlsruhe, bevor er 1993 zum Professor für Molekulare und Angewandte Toxikologie an die Universität Mainz berufen wurde.
Von 2004 bis 2018 war er Direktor des Instituts für Toxikologie in Mainz. Seit 2018 ist er pensioniert und als Senior-Professor am Institut tätig.
Institut für Toxikologie, Universitätsmedizin, Obere Zahlbacher Straße 67, 55131 Mainz, E-Mail: kaina[a]uni-mainz.de

Dieser Artikel erschien in der Naturwissenschaftliche Rundschau | 77. Jahrgang, Heft 7, 2024. Wiedergabe mit freundlicher Genehmigung des Autors.