Wie der kurzlebige Killifisch Prinzipien des menschlichen Alterns enthüllen könnte

Zu Beginn der COVID-19-Pandemie fanden die Auszubildenden des Wu Tsai Neuroscience Institute, Jingxun Chen und Emma Costa, einen ungewöhnlichen Weg, um sich die Zeit während des Lockdowns zu vertreiben.

Während einige Sauerteig backten und andere Gitarre lernten, rekrutierten Chen und Costa ihre Familien, um beim Bau automatischer Fischfutterautomaten zu helfen.

„Es war so ein Familienprojekt, lassen Sie mich Ihnen sagen“, sagte Chen, Postdoc in der Forschungsgruppe von Anne Brunet. „Ich hatte meine ganze Familie dabei, um Feeder zu bauen. Wir hatten Lötstationen an verschiedenen Stellen in unserem Haus – mein Vater hat einen Abschnitt gemacht, meine Mutter hat sie zusammengebaut.“

Diese Heimindustrie wurde durch eine ehrgeizige Zusammenarbeit zwischen Brunets Forschungsgruppe und dem benachbarten Labor von Tony Wyss-Coray motiviert, wo Costa Doktorand ist, um uralte Fragen zur Biologie des Alterns selbst zu lösen, indem sie den bemerkenswert kurzlebigen Afrikaner untersuchten türkisfarbener Killifisch.

Als das Stanford Neurosciences Building wieder für Forscher geöffnet wurde, kehrten die Mitarbeiter in die günstigere technische Umgebung des gemeinsamen Vincent VC Woo Sandbox Laboratory von Wu Tsai Neuro zurück. Nachdem das Team ein beispielloses System zur Untersuchung der Alterung von Killifischen vom Schlüpfen bis zum Grab fertiggestellt hat, will es nun die Geheimnisse der Verlängerung unserer eigenen gesunden Lebensspanne aufdecken.

Eine Studie, die das Projekt detailliert beschreibt, wurde am 19. Dezember 2022 in veröffentlicht eLife.

Gesundes Essen, gesundes Altern

Überall, wo man hinschaut, scheint es ein neues „wissenschaftsbasiertes“ Programm zu geben, um sich zu einem längeren und besseren Leben zu ernähren. Von der Mittelmeerdiät mit Fisch und Hülsenfrüchten bis zum frühstücksskeptischen „intermittierenden Fasten“ wächst die Überzeugung, dass die Ordnung unserer Essenspläne der Schlüssel zu einem gesunden Alter sein könnte.

Obwohl es für einige dieser Behauptungen teilweise Beweise gibt, ist es schwierig, sie rigoros zu testen. Der Grund? Der Mensch lebt einfach zu lange. Es würde Jahrzehnte dauern, die lebenslangen Studien durchzuführen, die erforderlich sind, um die Beziehung zwischen Lebensdauer und Ernährung aufzuklären. Aber das ist genau das Problem, das jetzt von der Zusammenarbeit von Brunet und Wyss-Coray angegangen wird, die versucht, die Herkulesaufgabe anzugehen, zu untersuchen, wie externe altersbedingte Faktoren unsere gesamte Lebensspanne prägen, einschließlich, wie wir altern und letztendlich, wie wir sterben.

Das Team wandte sich dem Killifisch zu, der in seiner kurzen Lebensdauer von vier bis sechs Monaten viele der gleichen altersbedingten Krankheitsprozesse aufweist, die beim Menschen beobachtet werden. Indem sie menschliche Subjekte durch diese vergänglichen Fische ersetzen, können die Brunet- und Wyss-Coray-Gruppen ein ansonsten unmögliches Forschungsprojekt verfolgen: jeden Aspekt der Lebensdauer von Hunderten von Killifischen auf einmal zu überwachen, von der Wiege bis zur Bahre, in Der Prozess wird zu einer stark komprimierten Version des jahrzehntelangen menschlichen Alterungsprozesses.

„Wir haben das große Glück, mit dem Brunet-Labor zusammenzuarbeiten und die Kraft dieser kurzlebigen Wirbeltierstudie zum Altern und zu den möglichen Auswirkungen auf das Gehirn zu nutzen“, sagte Wyss-Coray, der die Phil and Penny Knight Initiative for Brain Resilience in Stanford leitet und sieht den Killifisch als vielversprechende Quelle für die potenzielle Aufdeckung von „handhabbaren und übersetzbaren Alterungsinterventionen“.

Forscher haben zuvor andere Wirbeltiermodelle verwendet, um das Altern zu untersuchen, aber keines war so einfach skalierbar wie der Killifisch. Für Brunet ist es diese Skalierbarkeit in Kombination mit genetischen Werkzeugen, die das Team entwickelt hat – einschließlich der Sequenzierung des Fischgenoms und der Anwendung der CRISPR-Genbearbeitung –, die die Kreatur zu einem so überzeugenden Modell macht.

„Dies ist eine aufregende Zeit“, sagte Brunet. „Diese Merkmale werden dazu beitragen, neue Prinzipien zu identifizieren, die der Alterung von Wirbeltieren zugrunde liegen.“

Und hier kommen die Fischfutterautomaten ins Spiel

Um Hunderte von Killifischen rund um die Uhr zu pflegen und zu überwachen, würde eine Armee von übernächtigen Doktoranden erforderlich sein, die die ganze Nacht wach bleiben, jede Nacht, über Monate oder Jahre. Um diese ehrgeizigen Bemühungen zu ermöglichen, entwickelte das Brunet-Labor ein automatisiertes Pflege- und Beobachtungssystem, um die Einflüsse auf die Fischalterung während ihrer gesamten Lebensdauer zu verfolgen. Das Herzstück dieses Systems ist ein anpassbares Ernährungssystem, das von Andrew McKay entwickelt wurde, einem ehemaligen Doktoranden aus dem Brunet-Labor, der jetzt bei Genentech arbeitet und Hauptautor des neuen Produkts des Teams ist eLife lernen. Das System ermöglicht es den Forschern, die Fütterung rund um die Uhr zu automatisieren und gleichzeitig genau zu steuern und zu überwachen, was die Fische wann fressen.

Jedes Killifischbecken ist mit einer batteriebetriebenen rotierenden Scheibe ausgestattet, die an einem Ende der Zuführung Futter aufnimmt und am anderen abgibt. Während sich das Lebensmittel um die Zuführung dreht, passiert es zwischen einem einfachen Lichtsensor, der eine LED und einen Fotowiderstand umfasst. Das Futter verhindert, dass die LED auf den Fotowiderstand scheint, und protokolliert automatisch eine Fütterungsrotation in der Datenbank des Teams.

Wie die meisten Biologielabore ist das Brunet-Labor nicht für aufwändige Ingenieurprojekte eingerichtet, und als das Stanford Neurosciences Building wieder für Forscher geöffnet wurde, machten sich Chen, Costa und ein dritter Postdoc des Wyss-Coray-Labors, Ian Guldner, daran, davon zu profitieren des Sandbox Lab von Wu Tsai Neuro. Das Labor, ein Allzweck-Kooperationsraum in der Einrichtung für Neurowissenschaften, bot ausreichend Platz für die Entwicklung des Systems und die Herstellung automatischer Zuführungen, zunächst für einen Proof-of-Concept und dann für zusätzliche Experimente. Das Brunet-Labor kombinierte dieses Fütterungssystem mit einem umfassenden Videoüberwachungssystem, sodass die Forscher nicht nur diktieren konnten, was diese Killifische fraßen, sondern auch verfolgen konnten, wie sie im Laufe der Zeit wuchsen, alterten und abnahmen.

In ihrem neuen eLife In einer Studie verwendete das Brunet-Labor in Zusammenarbeit mit dem Wyss-Coray-Labor das Fütterungssystem, um die Auswirkungen der Ernährung auf die Lebensdauer von Killifischen zu demonstrieren. Die Forscher stellten fest, dass männliche Killifische, deren Ernährung eingeschränkt war, tatsächlich länger lebten, während weibliche Killifische unabhängig von der Nahrungsaufnahme die gleiche Lebensdauer hatten, indem sie den Feeder so einstellten, dass er einschränkte, wie viel und wann die Killifische fraßen.

Natürlich ist die Ernährung nicht nur als Faktor wichtig, der das Altern beeinflusst – sie ist auch ein nützliches Instrument, um das Altern zu messen. Unter Verwendung des Videoüberwachungssystems zur Aufzeichnung des Verhaltens dieser Fische zu wichtigen Zeitpunkten ihrer Lebensspanne konnten die Mitarbeiter einen assoziativen Lerntest einrichten, in dem sie die Killifish darauf trainierten, das automatische Fallenlassen von Futter mit einem roten LED-Licht zu assoziieren . Durch die Überwachung dieser Lernfähigkeit über die Lebensspanne der Killifische versucht das Team zu verstehen, wie sich die kognitive Fitness mit dem Alter verändert.

Diese Basisdaten werden nun als wertvoller Vergleichspunkt für die Verfolgung von Interventionen durch das Team dienen, die dazu beitragen könnten, die kognitive Fitness bis ins hohe Alter aufrechtzuerhalten.

„Bei dieser Studie war das Fütterungssystem besonders hilfreich, da wir es so programmieren konnten, dass es die Fische so oft fütterte, wie wir wollten“, sagte Chen. Dies macht das System zu einer enormen Verbesserung gegenüber derzeit verfügbaren kommerziellen Modellen, sagte Chen, die Lebensmittel nur in voreingestellten Mengen abgeben können – etwas, das die Fähigkeit des Labors, die hochpräzisen Studien zu entwerfen, die es in Zukunft zu verfolgen hofft, stark eingeschränkt hätte.

Eine Grundlage zum Verständnis des Ablaufs der natürlichen Alterung

Und es ist nicht nur die Ernährung, die das Brunet-Labor messen möchte. Diese Überwachungs- und Fütterungssysteme ermöglichen es dem Labor, lebenslange Großserienprojekte jeder Art zu entwerfen. Ein Projekt, an dem Chen, Costa und Guldner arbeiten: ein Killifisch-RNA-Sequenzierungsatlas.

Das Projekt protokolliert mRNA-Daten in Organgeweben von Killifischen in verschiedenen Lebensstadien. Das Ziel, das erfolgreich bei Mäusen versucht wurde, besteht darin, zu verstehen, wie sich die Schlüsselmerkmale des Alterungsprozesses des Killifischs – die gleichen Merkmale, die beim Menschen zu finden sind – sowohl unterscheiden als auch über die Organe des Killifischs hinweg miteinander verbunden sein könnten.

„Indem wir testen, wie verschiedene Organe im selben Tier altern, können wir eine Grundlage für das Verständnis des Verlaufs der natürlichen Alterung schaffen“, sagte Costa. „Dies bietet eine Grundlage für den Vergleich der Wirksamkeit verschiedener Methoden zur Verlängerung der Lebensdauer.“

Chen und Costa nutzen diese leistungsstarke Forschungsplattform für die Lebensspanne, um ihren eigenen Fragen zur Biologie des Alterns nachzugehen.

Chen ihrerseits untersucht, wie sich die Paarung auf das Altern und die Lebensdauer von Wirbeltieren auswirkt. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Paarung die Lebensdauer von wirbellosen Tieren wie Fruchtfliegen verkürzt, und Chen ist daran interessiert, Killifisch-zentrierte Studien zu entwerfen, um zu verstehen, wie dies funktioniert.

„Ich hoffe, die ‚Sexualgeschichte‘ hervorheben zu können, die ein wichtiger Bestandteil der Lebensgeschichte eines Organismus ist, den viele Alterungsstudien ignorieren“, sagte Chen. „Ich möchte eine bessere klinische Verfolgung der Sexualgeschichte motivieren, damit wir ihre Rolle beim menschlichen Altern besser untersuchen können.“

Costa hingegen interessiert sich für die Auswirkungen des Alterns selbst, insbesondere auf das Immunsystem von Wirbeltieren.

„Mit zunehmendem Alter sind wir oft weniger in der Lage, wirksame Immunantworten aufzubauen, und sind anfälliger für Entzündungen und Autoimmunerkrankungen“, sagte Costa. Das Verständnis, wie dies bei Killifischen funktioniert, kann Forschern dabei helfen, Wege zu finden, um die Wirksamkeit des Immunsystems mit zunehmendem Alter zu erhalten.

Das Labor ist noch weit davon entfernt zu verstehen, wie genau intermittierendes Fasten oder die Mittelmeerdiät uns helfen, besser zu altern, oder warum. Aber sie sind weiterhin hungrig nach Antworten – und mit Hilfe eines ungewöhnlichen Tieres und einer Menge Ingenieurskunst sind sie fest auf der Jagd.