Im Reagenzglas:

Wiener Forscher züchten schlagende Miniatur-Herzen

Wiener Forscher züchten im Labor schlagende Miniatur-Herzen (im Bild die mikroskopische Aufnahme eines solchen).

(Bild: Tobias Illmer/IMBA)

In Reagenzgefäßen des Wiener Biologen Sasha Mendjan wachsen aus menschlichen Stammzellen wenige Millimeter große Miniatur-Herzen (auch als Herzorganoide bezeichnet), die eine linke und eine rechte Pumpkammer sowie einen Vorhof besitzen. In naher Zukunft soll sie zur Entwicklung neuer Medikamente eingesetzt werden.

Diese Miniaturherzen entwickeln sich wie echte Herzen bei der Embryo-Entstehung und beginnen rhythmisch zu schlagen. Solche „Mehrkammer-Kardioide“ ermöglichen Biologen und Medizinern, Entwicklungsstörungen und Krankheiten der lebenswichtigen Blutpumpe zu erforschen. Sie wurden in der Fachzeitschrift „Cell“ vorgestellt.

Sasha Mendjan vom Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) stellte mit Kollegen aus menschlichen Zellen im Labor Organoide für die linke und rechte Herzkammer sowie den Vorhof her.

Was sind Organoide?

Als Organoide bezeichnet man Zellgruppen, die selbstständig Strukturen von Organen bilden. Dafür verwendeten die Forscher sogenannten „induzierte pluripotente menschliche Stammzellen“. Das sind Körperzellen, die in einen früheren Entwicklungszustand zurückversetzt werden und sich dadurch vielseitig entfalten können.

Wenn sie die Organoide für die verschiedenen Kammern gemeinsam wachsen ließen, bildeten sich gemeinsame „Mehrkammer-Herzorganoide“, die die Forscher auch „Mehrkammer-Kardioide“ nennen. „Bei ihnen breitete sich ein elektrisches Signal vom Vorhof in die linke und dann in die rechte Herzkammer aus“, so Mendjan.

Genau das passiert auch in der frühen Herzentwicklung im Fötus eines Tieres (inklusive Menschen). „Diesen grundlegenden Prozess haben wir erstmals in einem menschlichen Herzmodell mit all seinen Kammern beobachtet“, sagte Mendjan.

Komplizierter Tanz des Führens und Folgens
Bisher war nicht bekannt, wie das menschliche Herz zu schlagen beginnt, erklären die Forscher. Dies habe man nun am Mehrkammer-Kardioid beobachten können: „Wir sahen, dass die Kammern im Laufe ihrer Entwicklung einen komplizierten Tanz des Führens und Folgens durchlaufen“, berichten sie: „Zunächst führt die linke Herzkammer die entstehende rechte Herzkammer im Rhythmus.“ Zwei Tage später entwickelt sich der Vorhof und die Herzkammern folgen dann seinem Takt.

Mehrkammer-Kardioide kann man in großer Zahl herstellen, sodass man Hunderte von circa einen Millimeter messende Miniaturherzmodelle nebeneinander auf Defekte durch Genveränderungen (Mutationen) oder die Wirkung von Stoffen untersuchen kann, die Fehlbildungen auslösen (Teratogene). „Die Größe kann kontrolliert werden“, erklärte Mendjan: „Wir haben schon Organoide, die drei bis fünf Millimeter messen.“

Reagieren auf Störungen wie echte Herzen
Die Miniaturherzmodelle reagieren auf Störungen wie echte Herzen. Zum Beispiel „Thalidomid“ und „Retinoid-Derivate“ werden bei Menschen zur Behandlung von Blutkrebserkrankungen (Leukämie), Schuppenflechte (Psoriasis) und Akne eingesetzt, sind aber dafür bekannt, dass sie bei Föten schwere Herzfehler verursachen. „Beide Teratogene lösten in den Herzorganoiden ähnliche, schwere kammerspezifische Defekte aus“, so die Forscher. Außerdem führen Mutationen bei den Modellherzchen zu kammerspezifischen Defekten, die auch in der menschlichen Entwicklung beobachtet werden.

Modelle für gute Behandlungen fehlen
„In Zukunft können Mehrkammer-Herzorganoide deshalb für toxikologische Studien und zur Entwicklung neuer Medikamente mit herzkammerspezifischen Wirkungen eingesetzt werden“, erklärte Mendjan. Für viele Herzerkrankungen gäbe es keine probate medikamentöse Behandlung, weil es bisher keine Modelle gab, um Wirkstoffe auszuprobieren.

Aus Stammzellen von Patienten mit Herzentwicklungsfehlern entwickelte Organoide könnten zudem Aufschluss über den Grund der Probleme geben und darüber, wie sie behandelt und verhindert werden können. Organe für Transplantationen bei Patienten herzustellen, ist noch Sciencefiction, so Mendjan zur APA.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache, erklären die Forscher, denn jährlich sterben 18 Millionen Menschen weltweit an Herzkrankheiten.