Herzregeneration, Labor-Schrittmacher und Herz-auf-Chip: Durchbrüche in der Herzmedizin

Forscher haben erstmals gezeigt, dass menschliche Herzmuskelzellen nach einem Herzinfarkt nachwachsen können. Außerdem haben sie den weltweit ersten im Labor gezüchteten Sinusknoten entwickelt und ein schlagendes „Herz-auf-Chip“ geschaffen, das die Herzaktivität auf zellulärer Ebene verfolgen kann. Diese Fortschritte könnten zu neuen Wegen bei der Behandlung und Erforschung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen, die weltweit die häufigste Todesursache sind.

In einer in „Circulation Research“ veröffentlichten Studie fanden Wissenschaftler der University of Sydney, des Baird Institute und des Royal Prince Alfred Hospital heraus, dass Herzmuskelzellen nach einem Herzinfarkt nachwachsen können – ein Prozess, der zuvor nur bei Mäusen beobachtet worden war. Erstmals wurde eine erhöhte Mitose, ein Prozess, bei dem sich Zellen teilen und vermehren, in menschlichem Herzgewebe bestätigt. Für die Studie wurde Gewebe untersucht, das lebenden Patienten während einer Bypass-Operation entnommen wurde; dabei wurden Proben aus erkrankten und gesunden Bereichen des Herzens verwendet. Ein Herzinfarkt kann bis zu einem Drittel der Zellen des menschlichen Herzens zerstören. Obwohl die Überlebensraten gestiegen sind, entwickeln viele Patienten eine Herzinsuffizienz, die nur durch eine Transplantation geheilt werden kann. In Australien leben rund 144.000 Menschen mit Herzinsuffizienz, doch pro Jahr werden nur etwa 115 Herztransplantationen durchgeführt. Die Forschung identifizierte mehrere Proteine, von denen bereits bekannt war, dass sie bei Mäusen an der Herzregeneration beteiligt sind, mit dem Ziel, Therapien zu entwickeln, die die natürliche Fähigkeit des Herzens, neue Zellen zu bilden, verstärken.

Unabhängig davon haben Wissenschaftler in Shanghai den weltweit ersten im Labor gezüchteten Sinusknoten hergestellt – die winzige Struktur, die als natürlicher Schrittmacher des Herzens fungiert. Mithilfe menschlicher pluripotenter Stammzellen konstruierte das Team ein 3D-Organoid, das autonom schlagen kann. Der Sinusknoten sitzt im rechten Vorhof und sendet kontinuierlich elektrische Signale, die bestimmen, wann sich Vorhöfe und Kammern zusammenziehen. Fällt er aus, kann der Herzschlag gefährlich langsam werden oder ganz aussetzen. Das Organoid könnte die Erforschung von Herzerkrankungen und das Medikamenten-Screening revolutionieren, so die Forscher.

In einem weiteren Fortschritt haben Wissenschaftler mehrerer kanadischer Forschungseinrichtungen ein dreidimensionales „Herz-auf-Chip“ (HOC) entwickelt, das von selbst schlägt und vorhersehbar auf gängige Medikamente reagiert. Es ist das erste seiner Art mit einer Doppelsensorik, die eine Echtzeit-Verfolgung der Aktivität im gesamten Herzgewebe bis auf zellulärer Ebene ermöglicht. Die Forscher entnahmen Herzmuskelzellen und Bindegewebszellen von Ratten, siedelten sie auf Siliziumchips in einer gelartigen Matrix an und betteten zwei Arten von Sensoren ein: elastische Säulen, die sich mit jedem Herzschlag verformen, um die Kontraktionskraft zu messen, sowie Hydrogel-Mikrosensoren von durchschnittlich 50 Mikrometern, die lokale mechanische Spannungen auf zellulärer Ebene erfassen. Tests mit Noradrenalin, das die Herzaktivität steigert, und Blebbistatin, einem Inhibitor der Muskelaktivität, funktionierten wie vorhergesagt und belegen das Potenzial des HOC für das Medikamenten-Screening. Als Nächstes plant das Team, Erkrankungen mit Zellen von Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie und Herzrhythmusstörungen zu simulieren. Langfristig sollen HOCs dazu dienen, vor Beginn einer Behandlung das wirksamste Medikament für jeden Patienten zu identifizieren. Die Forschung wurde in der Zeitschrift „Nano Micro Small“ veröffentlicht.