Die Behandlung von Herzerkrankungen

Künstliche Herzgewebe

  • Abb. 1: Herzmuskelzellen, die auf dem Seidenprotein Fibroin von Tussaseidenraupen wachsen bilden einen gut organisierten kontraktilen Apparat aus (Actinin, grün) und kommunizieren miteinander durch die Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten (Connexin 43, rot). Dies ermöglicht ein kräftiges und synchrones Schlagen der künstlichen Herzgewebe. In blau sind die Zellkerne dargestellt. Foto: MPI für Herz- und Lungenforschung.Abb. 1: Herzmuskelzellen, die auf dem Seidenprotein Fibroin von Tussaseidenraupen wachsen bilden einen gut organisierten kontraktilen Apparat aus (Actinin, grün) und kommunizieren miteinander durch die Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten (Connexin 43, rot). Dies ermöglicht ein kräftiges und synchrones Schlagen der künstlichen Herzgewebe. In blau sind die Zellkerne dargestellt. Foto: MPI für Herz- und Lungenforschung.
  • Abb. 1: Herzmuskelzellen, die auf dem Seidenprotein Fibroin von Tussaseidenraupen wachsen bilden einen gut organisierten kontraktilen Apparat aus (Actinin, grün) und kommunizieren miteinander durch die Ausbildung von Zell-Zell-Kontakten (Connexin 43, rot). Dies ermöglicht ein kräftiges und synchrones Schlagen der künstlichen Herzgewebe. In blau sind die Zellkerne dargestellt. Foto: MPI für Herz- und Lungenforschung.
  • Abb. 2: Seidengerüste für die Herstellung von künstlichem Herzgewebe. Das Seidenprotein Fibroin wird aus Tussaseidenraupen gewonnen und durch ein Gefriertrocknungsverfahren in die gewünschte 3D Struktur geformt. Die dargestellten Scheiben besitzen in etwa die Größe von Centstücken. Foto: MPI für Herz- und Lungenforschung.

Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems gehören weltweit zu den häufigsten Todesursachen. In den letzten Jahren wurden mehrere Risikofaktoren für Herzerkrankungen entdeckt und Strategien zur Herzinfarkt-Vorbeugung sowie zur Behandlung des akuten Herzinfarktes entwickelt. Diese konnten jedoch nicht verhindern, dass die Häufigkeit der Herzinsuffizienz stetig zunimmt.

Trotz verbesserter Behandlungsmöglichkeiten sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen angesichts ihrer hohen Morbidität und Mortalität in unserer Gesellschaft nach wie vor von zentraler Bedeutung. Ein Grund dafür ist die Tatsache, dass herkömmliche Behandlungsmethoden die Ursache der verminderten Herzfunktion nicht korrigieren; den irreversiblen Verlust von Herzmuskelzellen. Eine vielversprechende Möglichkeit für einen therapeutischen Ansatz ist die Herstellung künstlicher Herzgewebe, das kardiale Tissue Engineering.

Herzgewebekultur

In der Vergangenheit wurde gezeigt, dass die Transplantation von Herzmuskelzellen zu einer verbesserten Herzfunktion nach einem experimentellen Herzinfarkt in Tieren führt. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren verschiedene Stammzelltypen in das Herz injiziert in der Hoffnung, dass diese in Herzmuskelzellen differenzieren und das Herz kräftigen.

Jedoch überleben nur wenige Zellen diese Prozedur und von diesen differenziert nur ein verschwindend geringer Teil in Herzmuskelzellen. Die Generierung von Muskelgewebe außerhalb des Körpers bietet eine Lösung für dieses Problem. Das Ziel dabei ist es, geeignete Materialien, die als Grundgerüst dienen, mit verschiedenen Zelltypen zu besiedeln, um ein künstliches Gewebe zu generieren.

Dieses Gewebe kann je nach Erkrankung maßgeschneidert werden. Ein Meilenstein im kardialen Tissue Engineering war die Arbeit von Prof. Zimmermann und Prof. Eschenhagen, die zeigen konnten, dass künstliches Herzgewebe basierend auf Typ I Collagen, Matrigel und primären postnatalen Rattenherzmuskelzellen die Herzfunktion nach einem Herzinfarkt in Ratten signifikant verbessert. Jedoch erscheint dieser Ansatz und ähnliche für die klinische Anwendung als sub-optimal, da die verwendeten Grundgerüste mechanisch limitiert sind und zufällige Mikrostrukturen aufweisen.

Kontraktilität

Das künstliche Herzgewebe sollte dem echten Herzgewebe so ähnlich wie möglich sein.

Es sollte aus differenzierten Herzmuskelzellen bestehen und anderen kardialen Zelltypen wie z.B. Fibroblasten, Endothelzellen und glatten Muskelzellen sowie extrazellulären Matrixproteinen. Dabei sollte die natürliche räumliche Orientierung und Stöchiometrie möglichst eingehalten werden.

Das Ziel ist es, ein Gewebe zu generieren, das ähnliche Eigenschaften hat wie echtes Herzmuskelgewebe z.B. eine hohe Kontraktilität. Die maximale Kraft, die ein Stück isoliertes Herzgewebe ausübt, liegt bei 50 mN/mm2. Die in der Literatur beschriebenen künstlichen Herzgewebe erreichen bisher allerdings nur 0,05 bis 2 mN/ mm2. Dies zeigt deutlich, dass wir von einer klinischen Anwendung noch weit entfernt sind.

Die Kontraktilität hängt von mehreren Parametern ab: dem Anteil an Herzmuskelzellen im Gewebe,der Orientierung der Herzmuskelzellen zueinander, dem Anteil an kontraktilen Proteinen in den einzelnen Herzmuskelzellen und dem Reifungsgrad des kontraktilen Apparates. Ferner müssen die Herzmuskelzellen elektrisch miteinander verbunden sein und sich nach der Transplantation elektrisch an die Herzmuskelzellen des Patienten koppeln, um eine optimale Kontraktilität zu gewähren.

Wenn diese Kopplung nicht hergestellt wird kann es zudem zu gravierenden Herzrhythmusstörungen kommen. Darüber hinaus muss man bedenken, dass das menschliche Herz über 100.000 mal pro Tag kontrahiert. Aus diesem Grund muss das Grundgerüst mechanisch belastbar sein und sollte eine definierte Struktur aufweisen.

Gewebeversorgung

Ein weiteres Problem bei der Herstellung von künstlichen Geweben ist die Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen. Im Körper wird dies durch Blutgefäße ermöglicht. Ohne eine solche Versorgung/Perfusion ist die Größe von Gewebe beschränkt. Tumore ohne Blutversorgung können z.B. nur ungefähr 2 bis 3 mm groß werden. Herzmuskelzellen haben jedoch einen viel höheren Energieverbrauch und damit einen höheren Sauerstoff- und Nährstoffbedarf.

Aus diesem Grund ist die Dicke von künstlichem Herzgewebe, das nicht perfundiert wird, physikalisch auf 0,1 bis 0,2 mm limitiert. Verschiedene Strategien haben es kürzlich erlaubt, Muskelgewebe mit einer Dicke von 0,5 mm zu generieren, wenn das künstliche Gewebe auf ein vernarbtes Herz transplantiert wurde. Dies lässt sich dadurch erklären, dass die transplantierten Gewebe durch körpereigene Blutgefäße versorgt wurden.

Allerdings sind 0,5 mm im Vergleich zu der Wanddicke des menschlichen linken Herzventrikels von ca. 9 mm nach wie vor unbefriedigend. Für die Behandlung von angeborenen Herzerkrankungen benötigt man künstliche Herzgewebe der Größe von ca. 1 bis 15 cm2. Aus diesen Gründen müssen Strategien entwickelt werden, die eine ausreichende Durchblutung des künstlichen Gewebes ermöglichen.

Autoimmunreaktionen

Das kardiale Tissue Engineering stößt bei seiner klinischen Anwendung auf dieselben Probleme wie die Organtransplantation. Die Immunabwehr des Körpers wendet sich grundsätzlich gegen alles, was als „körperfremd“ erkannt wird. Die Hauptaufgabe des Immunsystems ist es eigentlich, unseren Organismus vor Krankheitserregern wie z.B. Bakterien, Viren, Pilzen oder Parasiten zu schützen.

Darüber hinaus besitzt das Immunsystem die Fähigkeit, krankhaft veränderte körpereigene Zellen zu erkennen und zu beseitigen. Daher ist es wünschenswert Materialien für das Grundgerüst zu verwenden, die eine geringe oder keine Immunogenität aufweisen. Des Weiteren wäre es vorteilhaft, wenn sich das verwendete Grundgerüst nach der Integration des Gewebes auflöst und absorbiert wird.

Schließlich sollten die verwendeten Zellen am besten körpereigene Zellen sein; z.B. autologe Stammzellen, die man gezielt in die gewünschten Zelltypen differenzieren kann.

Seidenmatrix

Für die Herstellung von künstlichem Herzgewebe bietet sich Seide als Gründgerüst an. Das Seidenprotein Fibroin zeichnet sich durch einzigartige mechanische Eigenschaften aus, ist biokompatibel und lässt sich leicht verarbeiten. Seine geringe Immunogenität macht es zu einem ausgezeichneten Material für die klinische Anwendung.

Aus diesem Grund haben wir getestet, ob Fibroin der Seidenraupen A. mylitta (Indien) und B. mori (China) zur Herstellung von Herzgewebe geeignet sind. In 2D Kulturen zeigten neonatale Herzmuskelzellen der Ratte auf Seidenfibroin ähnliche EipHgenschaften wie auf dem für Herzmuskelzellen natürlichem Matrixprotein Fibronectin in Bezug auf Zelladhäsion, metabolischer Aktivität, Stimulierbarkeit mit Wachstumsfaktoren, elektrischer Zellkopplung (Abb. 1) und Kontraktilität.

Dabei scheint jedoch das Fibroin von A. mylitta aufgrund von RGD Domänen bessere Eigenschaften zu haben als das Fibroin von B. mori. Darüber hinaus haben unsere Experimente gezeigt, dass man 3D Gerüste aus A. mylitta Seidenfibroin effizient mit neonatalen Herzmuskelzellen beladen kann (Abb. 2). Diese Konstrukte sind für mindestens 20 Tage lang in der Lage unstimuliert zu kontrahieren.

Zusammengefasst, demonstrieren unsere Daten, dass A. mylitta Seidenfibroin- Gerüste für die Herstellung von künstlichen Herzgeweben geeignet sind. In der Zukunft wird sich zeigen, ob es möglich ist mit Seide komplexe Herzgewebe zu generieren, die nicht nur aus Herzmuskelzellen bestehen, sondern auch aus anderen kardialen Zelltypen. Wir wollen den Effekt verschiedener Seidengerüste (z.B. variable Porengröße) testen, die Kontraktilität verbessern und schließlich im Tiermodell die Effektivität des künstlichen Gewebes bzgl. einer verbesserten Herzfunktion prüfen.

Ausblick

Trotz enormer Fortschritte in der Herstellung künstlicher Gewebe in den letzten Jahren ist eine klinische Anwendung noch Zukunftsmusik. Allerdings erscheint die Integration der Stammzellbiologie mit dem Tissue Engineering vielversprechend.

Vor allem die Möglichkeit aus körpereigenen Zellen „induzierte Stammzellen“ zu generieren und diese in Herzmuskelzellen zu differenzieren beflügelt die Forscher, diese Methode zur Heilung von Herzerkrankungen für die klinische Anwendung zu optimieren.

▶ ▶Kontakt

Felix Engel

MPI für Herz- und Lungenforschung

Bad Nauheim

Tel.: 06032/705-248 (Büro)

Fax: 06032/705-253 (Labor)

felix.engel@mpi-bn.mpg.de

Autor(en)

Kontaktieren

MPI für Herz- und Lungenforschung
Parkstr. 1
61231 Bad Nauheim
Deutschland
Telefon: 06032/7050

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.