Forscher bauen künstliche Herzmuskelzellen nach

Die elektrische Logik künstlicher Herzsignale

Das menschliche Herz ist weit mehr als eine einfache biologische Pumpe; es ist ein hochkomplexes elektrisches System. Klassische Elektronik, wie sie etwa in Herzschrittmachern zum Einsatz kommt, ist auf maximale Geschwindigkeit ausgelegt. Doch die Natur arbeitet subtiler. In den Herzmuskelzellen steuern Natrium-, Kalium- und Kalziumkanäle präzise, wann eine Zelle feuert und wann sie in die Ruhephase zurückkehrt. Ein Team der schwedischen Universität Linköping hat nun einen Weg gefunden, diese biologische Sprache mit leitfähigem Kunststoff nachzubilden. Die Forscher entwickelten künstliche Zellen, die nicht pumpen, aber die spezifische elektrische Signatur echter Herzzellen imitieren. Ein entscheidender Faktor ist dabei die sogenannte Plateauphase des Signals, die durch die langsamere Reaktion der Kalziumkanäle entsteht. Das System konnte verschiedene elektrische Eigenschaften von Herzkammerzellen simulieren. In den Versuchen dauerte das künstliche Signal etwa 300 Millisekunden, wobei die Plateauphase zwischen 200 und 500 Millisekunden variiert werden konnte. Um die volle Funktionsfähigkeit zu testen, nutzten die Wissenschaftler Konzentrationen, die dem menschlichen Körper ähneln: 140 Millimol Natriumchlorid und 5 Millimol Kaliumchlorid pro Liter. Besonders wichtig für die medizinische Anwendung ist die Nachbildung der Refraktärzeit – jener Phase, in der eine Zelle nicht sofort erneut gereizt werden kann. Das Kunststoffsystem replizierte diese Sperrzeit mit etwa 240 Millisekunden, gefolgt von einer Phase eingeschränkter Reizbarkeit. Bei einer konstanten Stimulation von 60 Impulsen pro Minute blieb das System eine Stunde lang stabil.

Biologische Mechanik im Silikonmodell

Während die Forschung in Schweden die elektrische Komponente fokussiert, haben amerikanische Forscher einen anderen Weg gewählt, um funktionale Gewebe zu testen. Durch die Kombination von Silikon und lebenden Herzmuskelzellen gelang die Konstruktion einer künstlichen Qualle, die sich autonom durch das Wasser bewegt. Dieses Projekt der California Institute of Technology dient als Modell, um zu verstehen, wie einfache mechanische Prinzipien komplexe Bewegungen erzeugen können. Der Silikonkörper wurde mit einem Proteinmuster bedruckt, auf dessen Bahnen Ratten-Herzmuskelzellen wuchsen. Nach einem initialen Elektroschock begannen die Zellen, rhythmisch und synchronisiert zu kontrahieren. Das Experiment zeigt, dass für den Nachbau funktionaler Gewebe nicht zwingend komplexe genetische Eingriffe oder starre Gerüste nötig sind. Das Design-Prinzip der „synthetischen Muskelpumpe“ könnte theoretisch auf die Herstellung künstlicher menschlicher Organe übertragen werden.

Patientenspezifische Gewebezüchtung aus Stammzellen

Ein weiterer, hochgradig personalisierter Ansatz wird in einem deutsch-britischen Forschungsprojekt verfolgt. Ziel ist es, die Behandlung der dilatativen Kardiomyopathie zu revolutionieren – einer Erkrankung, bei der das Herz vergrößert wird und massiv an Kraft verliert. Da diese Form der Herzschwäche in bis zu 30 Prozent der Fälle erblich bedingt ist, suchen Wissenschaftler nach Therapien, die direkt am genetischen Profil des Patienten ansetzen. Unterstützt durch die britische Herzstiftung (BHF) arbeiten das Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE) und das Imperial College London an der Nutzung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS-Zellen). Das Verfahren ist effizient: Aus einer kleinen Hautprobe des Patienten werden Zellen isoliert und so umprogrammiert, dass sie sich in dreidimensionale, künstliche Herzmuskeln entwickeln können. Dieses Projekt, das mit insgesamt 7,5 Millionen Euro gefördert wird, ermöglicht es, die krankheitsspezifischen Unterschiede in Kraft, Rhythmus und Gewebestruktur direkt im Labor zu untersuchen.

• Zielgruppe: Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie.
• Methode: Umprogrammierung von Hautzellen zu iPS-Zellen.
• Vorteil: Untersuchung der individuellen Krankheitsausprägung und Prognose.
• Kooperation: UKE Hamburg und Imperial College London.

Das Potenzial der genetischen Selbstheilung

Die wohl radikalste Entwicklung lieferten Forscher der Icahn School of Medicine am Mount Sinai Hospital in New York. Sie haben ein biologisches „Zurücksetzen“ der Herzfunktion identifiziert. Das Gen Cyclin A2 (CCNA2), das während der Embryonalentwicklung für das Wachstum des Herzens entscheidend ist, wird nach der Geburt normalerweise abgeschaltet. Damit verliert das Herz seine Fähigkeit zur Zellteilung und damit zur Selbstreparatur. Durch den Einsatz eines harmlosen Virus gelang es dem Team, eine aktive Version dieses Gens in menschliche Herzmuskelzellen einzuschleusen. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst Zellen von Erwachsenen im mittleren Alter wieder in die Lage versetzt werden können, sich zu teilen und neues Gewebe zu bilden.

„Unsere Arbeit hat gezeigt, dass wir das Schweineherz nach einer Verletzung regenerieren können, und jetzt haben wir das weiterentwickelt, indem wir nachgewiesen haben, dass sogar Herzmuskelzellen von erwachsenen Menschen mittleren Alters – von denen man lange annahm, sie seien nicht teilungsfähig – dazu angeregt werden können, neue, funktionsfähige Zellen zu bilden“, Dr.

Trotz der beeindruckenden Ergebnisse in Zellkulturen mahnen Experten zur Vorsicht. Der deutsche Kardiologe Professor Ulf Landmesser von der Charité Berlin betont, dass die Daten bisher ausschließlich aus Zellkulturen stammen und noch nicht am Patienten validiert wurden. Der Weg von der Laborbank bis zur klinischen Therapie, die nach einem Herzinfarkt die Regeneration des gesamten Organs ermöglicht, bleibt lang und komplex. Die verschiedenen Forschungsansätze – von der elektrischen Nachbildung über mechanische Modelle bis hin zur genetischen Reaktivierung – zeigen eine klare Richtung: Die Medizin bewegt sich weg von rein symptomatischen Behandlungen hin zu einer technologischen und biologischen Wiederherstellung der Herzfunktion. Hinweis: Dieser Artikel dient der Information über wissenschaftliche Forschungsergebnisse und ersetzt keine medizinische Beratung. Konsultieren Sie bei Herzbeschwerden oder Fragen zu Therapien stets Ihren behandelnden Arzt.