Metformin bekämpft vaskuläres Altern durch Aktivierung eines neuartigen zellulären Entsorgungswegs

Zelluläre Seneszenz vaskulärer Endothelzellen gilt als früher Treiber kardiovaskulärer Erkrankungen und trägt zu eingeschränkter Barrierefunktion, verminderter Angiogenese und gestörter vaskulärer Homöostase bei. Stressinduzierte vorzeitige Seneszenz (SIPS) – ausgelöst durch oxidativen Schaden, Entzündungen oder metabolische Belastungen – beschleunigt diese Prozesse unabhängig vom replikativen Altern. Das Verständnis, wie SIPS pharmakologisch entgegengewirkt werden kann, ist daher von breitem therapeutischem Interesse.

In dieser Studie wurde Wasserstoffperoxid (H₂O₂) eingesetzt, um SIPS in humanen Nabelschnurvenen-Endothelzellen (HUVECs) in vitro zu induzieren und dabei ein reproduzierbares oxidatives Stressmodell zu schaffen. Eine optimale Seneszenz wurde bei 100 µM H₂O₂ über 2 Stunden erreicht, bestätigt durch erhöhte SA-β-Galaktosidase-Aktivität und Hochregulierung der kanonischen Seneszenzmarker p16 und p21. Anschließend wurde Metformin in einem Dosisbereich appliziert; 10 mM erwies sich als optimal protektiv: Es reduzierte die SA-β-Gal-Positivität signifikant und supprimierte p16/p21 sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene, ohne Zytotoxizität zu zeigen.

Über die Seneszenzmarker hinaus stellte Metformin funktionelle endotheliale Verhaltensweisen in bedeutsamer Weise wieder her. Während die Proliferation (EdU-Assay) lediglich einen nicht signifikanten Trend zur Erholung zeigte, demonstrierten Scratch-Wundheilungs- und Röhrchenbildungsassays beeindruckende Verbesserungen: H₂O₂-behandelte Zellen erreichten nach 24 Stunden nur 29 % Wundverschluss, verglichen mit nahezu vollständigem Verschluss in metforminbehandelten Zellen. Anzahl der Röhrchenknoten, Maschenbildung und Gesamtröhrchenlänge wurden allesamt signifikant wiederhergestellt. Die angiogenen Proteine Ang-1 und VEGF wurden durch die Metforminbehandlung ebenfalls hochreguliert, was die funktionelle vaskuläre Erholung weiter unterstützt.

Auf mitochondrialer Ebene reduzierte Metformin intrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies (ROS), erhielt die filamentöse mitochondriale Morphologie aufrecht (und verhinderte dabei Fragmentierung sowie perinukleäre Aggregation) und stellte das mitochondriale Membranpotenzial (MMP) – gemessen mittels JC-1-Sonden – wieder her. Transkriptomsequenzierung (RNA-seq) im Vergleich von H₂O₂-behandelten Zellen mit und ohne Metformin identifizierte 359 differenziell exprimierte Gene. KEGG-Anreicherungsanalysen implizierten MAPK-, p53- und FoxO-Signalwege, während die GO-Analyse Stressantwort und Zytoskelettregulation hervorhob. Entscheidend ist, dass Metformin TSPAN4 und VAMP2 hochregulierte – Gene, die für Proteine kodieren, die essenziell für die Migrasom-Biogenese und Mitocytose sind: ein 2021 erstmals beschriebener Mechanismus, durch den Zellen beschädigte Mitochondrien physisch über Migrasom-Vesikel ausscheiden, anstatt sie über Autophagie abzubauen.

Um die funktionelle Bedeutung der Mitocytose zu validieren, verwendete das Team siRNA zur Stummschaltung von TSPAN4 und blockierte damit die Migrasom-Bildung. Dieser Eingriff hob die protektiven Wirkungen von Metformin gegen SIPS vollständig auf und bestätigte, dass migrasom-vermittelte Mitocytose für den Nutzen von Metformin in diesem Kontext mechanistisch erforderlich ist. Diese Erkenntnisse positionieren Mitocytose als vielversprechendes therapeutisches Ziel bei endothelialer Dysfunktion und legen nahe, dass die gut dokumentierten vaskulären Vorteile von Metformin teilweise durch diesen neu charakterisierten Signalweg vermittelt werden. Die Arbeit eröffnet Wege für die Entwicklung von Interventionen, die Mitocytose in alternden oder metabolisch belasteten Gefäßen gezielt stärken.