284 | FÖRDERUNG DES WISSENSCHAFTLICHEN NACHWUCHSES
weichliche Akkumulation von Zelldefekten ist, sondern evolutionsbiologisch einen
sinnvollen und determinierten Prozess darstellt. Und auch wenn die genauen Regu-
lationsmechanismen des Alterungsprozesses bisher noch nicht endgültig geklärt
werden konnten1,2, scheinen sie doch insbesondere durch Veränderungen in den
adulten Stammzellen hervorgerufen zu werden. Deshalb ist es das unmittelbare Ziel
unseres Projektes, altersbedingte Veränderungen in hämatopoetischen Stammzellen
(HSC) und mesenchymalen Stammzellen (MSC) auf molekularer Ebene aufzuklären
und anhand von mathematischen Modellen nachzuvollziehen.
1. Hintergrund
1.1. Hämatopoetische und Mesenchymale Stammzellen
Ausgangspunkt der humanen Blutbildung ist eine geringe Anzahl von hämatopoeti-
schen Blutstammzellen (HSC) im Knochenmark. Diese gewährleisten ein Leben
lang Nachschub aller Zelltypen des Blutes. Doch auch die Hämatopoese wird von
Alterungsvorgängen erfasst. Einerseits spiegelt sich dieser Prozess in einer zuneh-
menden Verfettung des Knochenmarks und anderseits in altersbedingten Anämien,
Gerinnungsstörungen und Abnahme der Immunfunktion wider3,4. Zudem haben
Untersuchungen am Mausmodell gezeigt, dass sich auch die Genexpressionsmuster
von HSC im Laufe des Lebens verändern5. Aus diesem Grund erörtern wir im Rah-
men unseres Projektes die These, dass sich auch humane HSC von unterschiedlich
alten Spendern hinsichtlich ihrer globalen Genexpression und DNA Methylierung
unterscheiden.
Mesenchymale Stammzellen (MSC) repräsentieren eine weitere Population
von multipotenten adulten Stammzellen, die hohe Erwartungen in der regenerativen
Medizin wecken. Unter geeigneten Bedingungen können MSC in Knochen-, Knor-
pel-, Fett- und Muskel-Zellen differenzieren6,7. Im Gegensatz zu HSC können MSC
auch in vitro kultiviert und expandiert werden11. Im Laufe von etwa sieben bis 15
Zellpassagen verlangsamt sich dabei jedoch die Proliferation. Schließlich treten die
Zellen in ein seneszentes Stadium ein, in dem sie sich nicht mehr teilen können. Die
molekularen Mechanismen dieser Zellalterung im Rahmen der Zellkultivierung
sind bis heute nicht eindeutig aufgeklärt, doch seit der Erstbeschreibung durch
L. Hayflick wird ein Zusammenhang mit der Alterung des Gesamtorganismus dis-
kutiert9.
1.2. Mathematische Modellierung von Stammzellprozessen
Biologische Vorgänge wie z. B. Zellmigration, Zellzyklus, symmetrische und asym-
metrische Zellteilung und deren Veränderungen lassen sich mit Hilfe mathemati-
scher Methoden und Computersimulationen beschreiben. Diese Herangehens-
weise verfolgt zwei Ziele: Einerseits ermöglicht sie die Integration und Inter-
pretation von Daten, die zur Bearbeitung biologischer Hypothesen und zur
Entwicklung von Experimenten nötig sind. Andererseits bieten mathematische
Modelle und deren Simulation die Möglichkeit, das Verhalten der untersuchten