Einleitung
Das Verständnis der Biomarker des Alterns ist entscheidend, um den Alterungsprozess zu erfassen und wirksame Strategien zur Förderung einer gesunden Lebensspanne und Langlebigkeit zu entwickeln. Diese Biomarker liefern messbare Indikatoren des biologischen Alters und ermöglichen es Forschern und Klinikern zu beurteilen, wie gut der Körper unabhängig von den chronologischen Jahren funktioniert.
Die Beurteilung des Alterungsprozesses aus mehreren Blickwinkeln bietet ein umfassendes Bild, von molekularen Markern wie der Telomerlänge und DNA-Methylierungsuhren bis hin zu phänotypischen Indikatoren wie Griffkraft und Gehgeschwindigkeit. Dieser Artikel untersucht relevante Biomarker des Alterns, darunter molekulare, phänotypische, diagnostische und epigenetische Marker, um den Verlauf des Alterns zu verstehen, vorherzusagen und möglicherweise zu beeinflussen.
Biomarker des Alterns können auf phänotypischen Daten (körperliche Funktion und Anthropometrie) und molekularen Daten (z. B. Telomerlänge, epigenetische Uhren & Labor-Blutbiomarker) beruhen. Routinemäßige Laborbiomarker werden häufig in akkreditierten klinischen Laboren auf Grundlage standardisierter Methoden gemessen. Eine Kombination aus umfassenden Labor-, epigenetischen, nicht-epigenetischen sowie Biomarkern der körperlichen Leistungsfähigkeit und Organfunktion und Seneszenzmarkern ist höchstwahrscheinlich der Schlüssel zur Formulierung eines validen zusammengesetzten Biomarkers des Alterns.
Ein standardisierter (zusammengesetzter) Biomarker des Alterns, der gezielt alle wichtigen Aspekte des Alterns misst, muss jedoch noch etabliert und vollständig validiert werden.
Molekulare Biomarker des Alterns
Molekulare Biomarker des Alterns beruhen auf Hochdurchsatzanalysen, deren prädiktiver Wert oft unbekannt ist und die in erster Linie nur im Forschungskontext verwendet werden. Dabei handelt es sich meist um sogenannte genomweite („Omics“-)Biomarker.
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Biomarker-Kategorie |
Biomarker-Unterkategorie |
Biomarker |
Trend mit dem Alter |
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DNA und Chromosomen |
Telomere |
Leukozyten-Telomerlänge |
Abnahme |
| DNA und Chromosomen |
DNA-Reparatur |
γ-H2A.X-Immunhistochemie |
Zunahme |
| DNA und Chromosomen |
Epigenetische Modifikation |
DNA-Methylierung |
Globale Hypomethylierung und lokale Hypermethylierung |
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RNA-Transkriptom |
Transkriptomprofile |
Heterogenität von CD38 in CD4+ & CD27+ T-Zellen |
Abnahme |
| RNA-Transkriptom |
Heterogenität von CD197 in CD4+ & CD25+ T-Zellen |
Zunahme |
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| RNA-Transkriptom |
Zirkulierende microRNAs (miRNAs) |
miR-34a, miR-21, miR-126-3p |
Zunahme |
| RNA-Transkriptom |
miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248 |
Abnahme |
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| RNA-Transkriptom |
Lange nichtkodierende RNAs |
MIR31HG |
Zunahme der Zellseneszenz |
| RNA-Transkriptom |
AK156230 |
Abnahme der Zellseneszenz |
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| RNA-Transkriptom |
Meg3 |
Zunahme der Zellseneszenz |
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Stoffwechsel |
Nährstoffsensorik |
Wachstumshormon und Insulin/insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) |
Abnahme |
| Stoffwechsel |
Mechanistisches Ziel von Rapamycin (mTOR) und pS6RP |
Zunahme |
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| Stoffwechsel |
NAD+, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6 |
Abnahme |
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| Stoffwechsel |
Proteinstoffwechsel |
Protein-Carbamylierung, wie etwa Homocitrullin-Rate |
Anstieg |
| Stoffwechsel |
Fortgeschrittene Glykationsendprodukte und N-Glykane |
Anstieg |
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| Stoffwechsel |
Lipidstoffwechsel |
Triglyceride |
Anstieg |
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Oxidativer Stress und Mitochondrien |
o-Tyrosin, 3-Chlortyrosin, 3-Nitrotyrosin, 8-Iso-Prostaglandin F2α, 8-Hydroxy-2′-Desoxyguanosin, 8-Hydroxyguanosin |
Anstieg |
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Zellseneszenz |
Seneszenz-assoziierte β-Galaktosidase |
Anstieg der Zellseneszenz |
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| Zellseneszenz |
p16INK4A |
Anstieg der Zellseneszenz |
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Entzündung und interzelluläre Kommunikation |
Seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp |
Anstieg |
Tabelle: Molekulare Biomarker des Alterns.
Quelle: Xia, X. & Chen, W. & McDermott, J. & Han, J. (2017). Molecular and phenotypic biomarkers of aging. F1000Research 6: 860.
GlycanAge-Bluttest
GlycanAge ist ein Bluttest für zu Hause, der Glykane (Zucker, die Zellen umhüllen) im Körper analysiert, um Ihr biologisches Alter zu bestimmen. Dabei wird die IgG-Glykom-Zusammensetzung betrachtet, die niedriggradige chronische Entzündungen reguliert und den Alterungsprozess antreibt. Die GlycanAge-Technologie geht über bestehende biologische Alterstests hinaus, indem sie genetische, epigenetische und umweltbedingte Aspekte des Alterns integriert.(1)
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Phänotypische Biomarker des Alterns
Nicht-molekulare phänotypische Biomarker beschreiben die physiologischen Funktionen des Körpers, insbesondere die körperliche Leistungsfähigkeit und die Organfunktion. Altern führt auf der strukturellen, funktionellen und molekularen Ebene der meisten Zellen, Gewebe und Organsysteme zu Veränderungen. Der fortschreitende und allmähliche Verlust der Erhaltungsfunktionen von Geweben ist typisch für das Altern.(2)
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Biomarker-Kategorie |
Biomarker |
Trend mit dem Alter |
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Körperliche Funktion |
Gehgeschwindigkeit |
Abnahme |
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Aufstehen vom Stuhl |
Abnahme |
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Standgleichgewicht |
Abnahme |
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Handgriffkraft |
Abnahme |
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Anthropometrie |
Muskelmasse |
Abnahme |
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Body-Mass-Index |
Zunahme |
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Taillenumfang |
Zunahme |
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Gesichtszüge |
Mundbreite |
Zunahme |
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Nasenbreite |
Zunahme |
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Mund-Nasen-Abstand |
Zunahme |
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Neigung des Augenwinkels |
Abnahme |
Tabelle: Phänotypische Biomarker des Alterns.
Quelle: Xia, X. & Chen, W. & McDermott, J. & Han, J. (2017). Molecular and phenotypic biomarkers of aging. F1000Research 6: 860.
Diagnostische Biomarker des Alterns
Diagnostische Biomarker helfen, eine Krankheit zu diagnostizieren, zu bestätigen oder auszuschließen. Sie können prognostisch für den Tod (Mortalität) oder für das Auftreten und Fortschreiten einer Krankheit (Morbidität) sein. Diagnostische Biomarker können auch prädiktiv sein, um den Erfolg oder Misserfolg einer Behandlung zu überwachen. Diese Biomarker werden auch in der Präventivmedizin eingesetzt, um das Auftreten einer Krankheit vorherzusagen und, noch wichtiger, zu verhindern.
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Potenzieller Biomarker |
Mit dem Alter verknüpfter Prozess |
Ergebnis möglicherweise mit dem Altern verknüpft |
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Lymphozyten/WBC (im vollständigen Blutbild) [PA] |
Entzündungen und Autoimmunerkrankungen |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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Insulin |
Insulinresistenz & diabetischer Zustand |
Chronisch erhöht |
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Glukose & Nüchternglukose |
Insulinresistenz & diabetischer Zustand |
Chronisch erhöht |
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C-reaktives Protein (CRP/hs-CRP) [IA & PA] |
Entzündung, Krebs & Herz-Kreislauf-Erkrankungen |
Chronisch erhöht |
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Cholesterin |
Herz-Kreislauf-Erkrankungen |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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Albumin [PA] |
Nieren- und Leberfunktionsstörung |
Erniedrigt |
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IL-6 [PA] |
Entzündung |
Erhöht |
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Tumornekrosefaktor alpha (TNF-α) |
Entzündung und Krebs |
Erhöht |
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Hämoglobin |
Anämie und andere hämatopoetische Störungen |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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Insulinähnlicher Wachstumsfaktor 1 (IGF-1) |
Stoffwechselerkrankung |
Erhöht |
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LDL-Cholesterin |
Herz-Kreislauf-Erkrankungen |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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Triglyceride |
Herz-Kreislauf-Erkrankungen |
Chronisch erhöht |
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HDL-Cholesterin |
Herz-Kreislauf-Erkrankungen |
Chronisch erniedrigt |
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Kreatinin [PA] |
Nierenfunktionsstörung |
Erhöht |
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Monozyten |
Entzündung |
Chronisch erhöht |
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Glykiertes Hämoglobin (HbA1C) |
Insulinresistenz & diabetischer Zustand |
Erhöht |
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Cystatin C |
Nierenfunktionsstörung |
Erhöht |
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NT-proBNP |
Herzinsuffizienz |
Erhöht |
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Alkalische Phosphatase [PA] |
Leberschädigung & Knochenerkrankung |
Chronisch erhöht |
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Hämatokrit/RBC (im vollständigen Blutbild) |
Anämie |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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D-Dimer |
Hyperkoagulativer Zustand |
Erhöht |
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IL-8 [IA] |
Entzündung |
Erhöht |
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Plasminogenaktivator-Inhibitor-1 (PAI1) |
Prothrombotischer Zustand bei Krebs und anderen akuten Phasen |
Chronisch erhöht |
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Bilirubin |
Leberfunktionsstörung |
Chronisch erhöht |
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Harnstoff |
Nierenfunktionsstörung |
Chronisch erhöht |
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IL-15 |
Entzündung |
Chronisch erhöht |
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MCV (im vollständigen Blutbild) |
Anämie und andere hämatopoetische Störungen |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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MCHC (im vollständigen Blutbild) |
Anämie und andere hämatopoetische Störungen |
Chronisch erniedrigt oder erhöht |
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CD4/CD8-Verhältnis |
Immundefizienz und Autoimmunität |
Chronisch erniedrigt |
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C-Peptid (bevorzugt gegenüber Insulin) |
Insulinresistenz & diabetischer Zustand |
Chronisch erhöht |
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IL1-β |
Entzündung |
Chronisch erhöht |
Tabelle: Potenzielle routinemäßige Laborblutmarker.
Quelle, adaptiert von: Hartmann, A. et al. (2021). Ranking biomarkers of aging by citation profiling and effort scoring. Frontiers in Genetics 12: 797.
Epigenetische Labor-Biomarker
Das Epigenom ist ein dynamisches System, das beim Altern eine zentrale Rolle spielt. DNA-Methylierung und Histonmodifikationen verändern sich mit dem chronologischen Alter und im Laufe der Zeit bei chronischen Erkrankungen.(3) Altern ist mit einer allgemeinen Hypomethylierung und einer lokalen Hypermethylierung verbunden. Um die DNA-Methylierung angemessen zu analysieren, wurden verschiedene „epigenetische Uhren“ entwickelt, etwa die Horvath-Uhr, die Weidner-Uhr und die Hannum-Uhr.(4)
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Potenzieller Biomarker |
Material & Methode |
Vorhersage |
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DNA-Methylierung und Alterungsuhren: |
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Horvath-Uhr |
DNA (Methylierungsanalyse) |
Chronologisches Alter |
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Hannum-Uhr |
DNA (Methylierungsanalyse) |
Chronologisches Alter |
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DNAm GrimAge |
DNA (Methylierungsanalyse) |
Biologisches Alter |
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DNAm PhenoAge |
DNA (Methylierungsanalyse) |
Biologisches Alter |
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Weidner-Uhr |
DNA (Methylierungsanalyse) |
Chronologisches Alter |
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EpiTOC |
DNA (Methylierungsanalyse) |
Biologisches Alter |
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miRNA (microRNA) |
RNA (Next-Gen-Sequenzierung, Microarrays) |
Morbidität, Mortalität |
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Nicht-kodierende RNA-Expressionsprofile |
RNA (Sequenzierung) |
Chronologisches Alter |
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exRNA (extrazelluläre RNA) |
Blut/Plasma (Next-Gen-Sequenzierung) |
Morbidität, Mortalität |
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Histonmodifikationen: |
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H4K20-Methylierung |
Blut/Plasma (mehrere Methoden) |
Zellstress |
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H4K16-Acetylierung |
Blut/Plasma (mehrere Methoden) |
Zellstress |
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H3K4-Methylierung |
Proteinextrakt (mehrere Methoden) |
Zellstress |
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H3K9-Methylierung |
Gewebe-DNA (mehrere Methoden) |
Zellstress |
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H3K27-Methylierung |
Gewebe-DNA (mehrere Methoden) |
Zellstress |
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Chromatin-Remodelling |
DNA (Chromatin-Remodelling-Assays) |
Chronologisches Alter |
Tabelle: Potenzielle epigenetische Biomarker.
Quelle adaptiert nach: Hartmann, A. et al. (2021). Ranking biomarkers of aging by citation profiling and effort scoring. Frontiers in Genetics 12: 797.
Zusammengefasst: Das Altern ist ein äußerst komplexer und stark individueller Prozess, der nicht vollständig verstanden wird. Daher erfassen viele mit dem Altern verbundene Biomarker womöglich nur einen Teilaspekt und bieten eine Sicht aus einem bestimmten Blickwinkel darauf, was das Altern betrifft. Deshalb könnte eine Kombination aus breit angelegten routinemäßigen Laboruntersuchungen, epigenetischen Tests, molekularen Biomarkern und phänotypischen Markern die beste Lösung sein, um einen umfassenden Blick auf den individuellen Alterungsprozess zu erhalten.
DNAm PhenoAge - Ein einfach durchzuführender Biomarker-Test des biologischen Alterns
Eine Studie von Levine et al. aus dem Jahr 2018 stellte einen neuartigen Ansatz zur Entwicklung eines epigenetischen Biomarkers des Alterns unter Verwendung von DNA-Methylierung (DNAm) vor. Dieser neue Biomarker, DNAm PhenoAge, stellt gegenüber früheren Markern einen bedeutenden Fortschritt dar, da er sich auf das phänotypische statt auf das chronologische Alter konzentriert, was zu besseren Vorhersagen von Gesundheitsspanne und Mortalitätsrisiken führt. DNAm PhenoAge zeigt eine bemerkenswerte Fähigkeit, eine breite Palette von Morbiditäts- und Mortalitätsoutcomes vorherzusagen, insbesondere im Bereich kardiovaskulärer und koronarer Herzkrankheiten. Anders als frühere Biomarker erweitert DNAm PhenoAge seine Vorhersagekraft über Blutproben hinaus auf andere Gewebe.(4)
Die mäßig vererbbare Natur des Biomarkers steht in Zusammenhang mit Markern der Immunseneszenz, proinflammatorischen Prozessen und verschiedenen mit dem Altern assoziierten Faktoren. DNAm PhenoAge übertrifft frühere epigenetische Biomarker aufgrund seiner spezifischen Auswahl von CpG-Stellen, die für die Vorhersage physiologischer Dysregulation optimiert wurden. Obwohl er nicht dazu gedacht ist, klinische Biomarker bei medizinischen Entscheidungen zu ersetzen, bietet DNAm PhenoAge wertvolle Einblicke in die Mechanismen des Alterns und in die Bewertung von Interventionen gegen das Altern.
Darüber hinaus macht ihn seine potenzielle Fähigkeit, präklinisches Altern und zell-/gewebespezifische Alterungsraten zu unterscheiden, zu einem wertvollen Instrument für verschiedene altersbezogene Studien. Die Studie untersucht die Zusammenhänge zwischen DNAm PhenoAge und transkriptionellen Signalwegen und zeigt Verbindungen zu proinflammatorischen, Interferon- und Schadensreparaturwegen auf. Eine Erblichkeit von DNAm PhenoAge ist möglich, was weitere Forschung erfordert, um seine genetische Architektur aufzuklären.
Interessanterweise bleibt DNAm PhenoAge über die Zeit relativ stabil, was Fragen nach dem Einfluss der Genetik sowie nach der Beständigkeit sozialer und verhaltensbezogener Merkmale aufwirft. Zu den potenziellen Anwendungen des Biomarkers gehören die Bewertung von Interventionen gegen das Altern und das Gewinnen von Einblicken in die Dynamik des Alterungsprozesses. DNAm PhenoAge erweist sich als vielversprechender Biomarker mit Bedeutung für die Grundlagenforschung zu Mechanismen des Alterns und für praktische translationale Anwendungen.
Die Liste der im DNAm PhenoAge-Test enthaltenen Biomarker:
- Albumin (g/L) – Leber
- Kreatinin (μmol/L) – Niere
- Glukose, Serum (mmol/L) – metabolisch
- C-reaktives Protein (mg/dL) – Entzündung
- Mittleres Zellvolumen (fL) – Immunsystem
- Erythrozytenverteilungsbreite (%) – Immunsystem
- Alkalische Phosphatase (U/L) – Leber
- Leukozytenzahl (1000 Zellen/μL) - Immunsystem
Berechnen Sie Ihr DNAm PhenoAge hier (wenn Sie alle oben genannten Biomarker haben testen lassen).
Fazit
Das Altern ist ein vielschichtiger und stark individualisierter Prozess, der von molekularen, zellulären und physiologischen Veränderungen beeinflusst wird. Biomarker des Alterns, von der Telomerlänge und DNA-Methylierungsmustern bis hin zu körperlicher Leistungsfähigkeit und Kennzahlen der Organfunktion, bieten einen wertvollen Rahmen, um diese Komplexität zu untersuchen und zu bewältigen. Trotz bedeutender Fortschritte erfasst kein einzelner standardisierter Biomarker alle Dimensionen des Alterns vollständig, was die Notwendigkeit integrativer Ansätze unterstreicht, die mehrere Biomarkertypen kombinieren. Werkzeuge wie DNAm PhenoAge stellen einen vielversprechenden Schritt nach vorn dar und bieten Einblicke in die biologischen Mechanismen des Alterns und mögliche Interventionen. Mit weiterer Entwicklung, wissenschaftlicher Forschung und Erfahrung werden diese Biomarker weiterhin als entscheidende Instrumente dienen, um die Präzisionsmedizin voranzubringen, gesundes Altern zu fördern und Langlebigkeitsstrategien zu optimieren.
Wissenschaftliche Referenzen:
- Dall’Olio, F., & Malagolini, N. (2021). Veränderungen der Immunglobulin-G-Glykosylierung beim Altern und bei anderen entzündlichen Erkrankungen. Antibody Glycosylation, 303-340.
- López-Otín, C. & Blasco, M. & Partridge, L. & Serrano, M. & Kroemer, G. (2013). Die Kennzeichen des Alterns. Cell 153 (6): 1194–1217.
- Ashapkin, V. & Kutueva, L. & Vanyushin, B. (2019). Epigenetische Uhr: nur ein praktischer Marker oder ein aktiver Treiber des Alterns? Reviews on Biomarker Studies in Aging and Anti-Aging Research 175–206.
Zusätzliche Referenzen für Tabellen und Biomarker:
- Xia, X. & Chen, W. & McDermott, J. & Han, J. (2017). Molekulare und phänotypische Biomarker des Alterns. F1000Research 6: 860.
- Hartmann, A. et al. (2021). Rangfolge von Biomarkern des Alterns anhand von Zitationsprofilen und Aufwandbewertung. Frontiers in Genetics 12: 797.
