Pulsierende Herzen in der Petrischale

Mikroskopiebild eines selbstorganisierenden Herz-Organoids. ©Mendjan/IMBA

Mikroskopiebild eines selbstorganisierenden Herz-Organoids. ©Mendjan/IMBA

 

Herzkreislauferkrankungen sind global gesehen ein enormes Problem für unsere Gesellschaft. 18 Millionen Menschen sterben jährlich in Folge einer Herz-Kreislauf-Erkrankung und viele hundert Millionen Menschen sind von Herzschwäche betroffen. Auch bei Kindern zählen angeborene Herzdefekte zu den häufigsten genetischen Erkrankungen – der Großteil aller Früh- oder Fehlgeburten scheint mit fehlerhafter Herzentwicklung in Zusammenhang zu stehen. Die Entwicklung des Herzens im heranwachsenden Menschen ist ein ebenso komplexer wie auch riskanter Prozess, den Forschende bis jetzt nur unzureichend untersuchen konnten.

Eine neue Stammzell-Technologie, die am Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaft (IMBA) entwickelt wurde, ermöglicht nun nie dagewesene Einblicke in die menschliche Herzentwicklung: Pulsierende, kleine Herzmodelle aus Stammzellen wachsen scheinbar spontan in der Petrischale heran und zeigen die Entwicklung des Herzens in der Embryonalphase: Aus wenigen Stammzellen bildet sich eine herzähnliche Struktur mit verschiedensten Zelltypen, Herzwand und Kammern.
Diese Methode unterscheidet sich maßgeblich von den sogenannten „Tissue Engineering Methoden“, bei denen ein Gerüst aus Polymeren zusammengebaut und mit verschiedenen Herz-Zelltypen besiedelt wird. Als Krankheitsmodell eignet sich dies jedoch nur bedingt. Sasha Mendjan setzt mit seiner Arbeitsgruppe am IMBA viel mehr auf die Selbstorganisation der Zellen. So kann das Zusammenspiel von Zellen während der Entwicklung verstanden und enorm viel über die Entstehung von Krankheiten gelernt werden.

Um ein Herz-Organoid wachsen zu lassen, verwenden die Forschenden iP Stammzellen, die ethisch unbedenklich aus Blut oder Hautproben gewonnen werden. Im Nährmedium können sie sich zu drei Zellschichten, den Keimblättern, formieren. Für die Entwicklung von Herz-Organoiden ist die mittlere Keimschicht, auch Mesoderm genannt, relevant, aus der fast alle unterschiedlichen Zelltypen im Herzen hervorgehen. Das Zusammenspiel dieser Zellarten im heranwachsenden Herz ist einzigartig: Über verschiedene biochemische Signale „sprechen“ die Zellen miteinander. Diese Informationen sind gerade für die Entwicklung des Herzens ganz wesentlich, damit die Zellen sich in einem bestimmten Zeitfenster so spezialisieren, dass sie schlussendlich die richtige Funktion am richtigen Ort im Herzen erfüllen können.
Ein entscheidender Punkt für die Entwicklung des Herzens ist die Ausbildung der Herzkammern, deren Missbildungen zu angeborenen Herzfehlern führen. Das Team konnte nachweisen, dass Mutationen eines bestimmten Gens namens Hand1 zu Missbildungen der linken Herzkammer führen, einem der am häufigsten angeborenen Herzdefekte. Dadurch konnte das Rätsel um die biochemischen Signale der verschiedenen Zellen die die Herzentwicklung steuern, das Entwicklungsbiologen/innen seit über 50 Jahren beschäftigt, gelöst werden.

Die Forschenden untersuchten auch die Auswirkungen einer Kryoverletzung auf die Herz-Organoide (Verletzung durch Einfrieren), einer Technik, die einen Herzinfarkt imitiert. Zum ersten Mal fand das Team in einer Schale heraus, dass diese Verletzung eine in-vivo-ähnliche Anhäufung von extrazellulären Matrixproteinen in den Herz-Organoiden auslöst, ein frühes Kennzeichen sowohl der Regeneration als auch einer fibrotischen Herzerkrankung.

Die möglichen medizinischen Anwendungen sind breit gefächert. Aktuell werden die Herz-Organoide etwa dazu eingesetzt um zu erforschen, wie das SARS-COV-Virus das Herz infizieren und schädigen kann. Für das gezielte Testen von Medikamenten wären die Herz-Organoide ein großer Schritt in Richtung personalisierte Medizin, da sie von den Stammzellen jedes beliebigen Patienten hergestellt werden können.