Rhythmischer Herzschlag dank Bioengineering

US-Forscher präsentieren bioartifizielles Pumpmodell

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Kardiologen und Orthopäden der University of North Carolina (UNC) hat auf biotechnischem Weg einen sich rhythmisch zusammenziehenden Herzmuskel entwickelt. Das Modelsystem ist ein so genanntes bioartifizielles Trabekel, also an der Innenfläche der Herzkammern vorspringende, netzförmig verbundene Muskelbälkchen. Obwohl sich das Modell noch weit von der klinischen Applikation bei Menschen entfernt befindet, soll es Forscher bei der Untersuchung von Herzerkrankungen wie z.B. elektrische und mechanische Störungen unterstützen. Details des Herzmodells wurden auf dem Weltkongress für Biomechanik in Calgary/Kanada präsentiert.

„Ziel der Untersuchung war es nach einer Möglichkeit zu suchen, wie man isolierte Herzzellen nutzen kann, damit sich diese unter geeigneten Bedingungen aneinander heften und im gleichen Zug ein funktionierendes künstliches Gewebe bilden“, erklärte Wayne E. Cascio auf dem Kongress. Grundgedanke dabei war, Zellen in einer dynamischen Umwelt auf einem flexiblen Substrat zu züchten. Dann sollten die Gewebezellen „auf irgend eine Art und Weise“ gestreckt werden, um den Effekt der mechanischen Kräfte auf Sehnen, Knochen und Knorpel zu simulieren. Zudem sollte der so genannte „Scherstress“ hinzugefügt werden. Der „Scherstress“ tritt im Zuge des Blutflusses durch die Gefäße auf. „Die Zusammenarbeit zwischen Kardiologen und Orthopäden setzte dann ein, als man dachte, es sei möglich, Herzmuskelzellen zu züchten und daraus ein Herzmuskelgewebe ähnliches Material zu entwickeln“, erklärte der Forscher Joseph Brackhan, der die Herzmuskelzellen aus einer ein Tag alten Ratte isolierte.

Die Zellen wurden zu diesem Zweck mit einer Kollagenlösung und Serum gemischt. Anschließend gelierte die Mixtur unter Inkubation in einer „Flexcell Tissue Train Plate“ (Bild). Diese Vorrichtung eignet sich als Rahmen, in dem sich Zellen in einem flüssigen Kollagen-Gel selbstständig remodellieren und eine Gewebe-artige Struktur bilden. Nach rund vier Tagen der Kultivierung wandern die Herzzellen in das Zentrum des Gels und formen eine dichte „Gewebe-Kordel“. Dieser Strang zieht sich rhythmisch mit 100 Schlägen pro Minute zusammen.

Langzeit-Ziel der Forscher ist es ein Modelsystem zu entwickeln, um Herzerkrankungen zu untersuchen. „Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von Herzmuskelzellen mit elektrischen und kontraktilen Eigenschaften. Dafür sollen die Zellen genmanipuliert bzw. in ein funktionstüchtiges Gewebe umgewandelt werden“, so Cascio. Die Entwicklung eines Gewebepflasters, das auf die Oberfläche des Herzens geklebt wird, um in das Organ zu Reparatur-Zwecken hinein zu wachsen, liegt im Zuge ihrer Forschungstätigkeit noch in weiter Ferne.