Zelltod aufgehalten: Forscher reparieren Organzellen von verstorbenen Schweinen

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Bislang dachte die Medizin, dass Zellen nach dem Tod eines Lebewesens schnell absterben. Ein Versuch mit Organen eines Schweins zeigt nun, dass das nicht immer stimmt: Die Technologie des Teams der Yale University School of Medicine stellte erfolgreich die Blutzirkulation wieder her und reparierte zuvor beschädigte Zellen.

Die Forschungsergebnisse, die im Journal "Nature" veröffentlicht wurden, könnten den Weg dafür ebnen, menschliche Organe für Transplantationen länger lebensfähig zu halten, weil sie nach der Entnahme in besserem Zustand sind. Außerdem könnte das Verfahren Wissenschaftlern helfen, neue Methoden zur Behandlung von Schlaganfällen und Herzinfarkten beim Menschen zu entwickeln, da es Aufschluss darüber gibt, wie Zellen reagieren, wenn ihnen Sauerstoff entzogen wird.

Herz- und Lungenfunktion simuliert

Das Yale-Team verwendete eine computergesteuerte Maschine namens OrganEx, um sowohl die Herz- als auch die Lungenfunktion zu simulieren. Es pumpte eine Stunde nach dem Tod der Schweine ein Perfusat – eine Mischung aus synthetischem Hämoglobin, Antibiotika und Molekülen zum Schutz der Zellen und zur Verhinderung von Blutgerinnseln – durch deren gesamten Körper. Sensoren überwachten die Zirkulation der Flüssigkeit und maßen den Druck in den Arterien der Tiere in Echtzeit.

Anschließend testeten die Forscher die Wirksamkeit von OrganEx, indem sie die damit behandelten Schweine mit Schweinen verglichen, die an herkömmliche Geräte angeschlossen waren, mit dem Krankenhäuser das Leben von Patienten mit schweren Herz- und Lungenerkrankungen zu retten versuchen: die auch im Zusammenhang mit Corona vielfach verwendete extrakorporale Membranoxygenierung, kurz ECMO.

Die mit OrganEx behandelten Organe wiesen weniger Anzeichen von Blutungen, Zellschäden oder Gewebeschwellungen auf als die mit ECMO behandelten. Den Forschern zufolge zeigt dies, dass das System einige Funktionen von Zellen in mehreren lebenswichtigen Organen wiederherstellen kann, die sonst abgestorben wären. So beobachteten die Forscher beispielsweise, wie sich die Herzzellen der OrganEx-Schweine zusammenzogen, während sie diese Kontraktion beim Versuch mit der ECMO-Gruppe nicht beobachten konnten.

Stunden nach dem Tod lebensfähig

"Diese Zellen funktionieren noch Stunden, nachdem sie eigentlich nicht mehr arbeiten sollten. Das sagt uns, dass das Absterben von Zellen aufgehalten und ihre Funktionstüchtigkeit wiederhergestellt werden kann", so Nenad Sestan, Professor für Neurobiologie an der Yale School of Medicine. Das gelte in mehreren lebenswichtigen Organen nach dem Tod. "Allerdings wissen wir nicht, ob diese Organe auch transplantierbar sind."

Die neue Forschung stützte sich auf eine Maschine, die 2018 ebenfalls vom Yale-Team entwickelt worden war. Sie nennt sich BrainEx und konnte die Gehirne von Schweinen Stunden nach dem Tod teilweise wiederbeleben. Das dabei verwendete Verfahren nutzt ebenfalls eine Reihe von Pumpen und Filtern, um den Rhythmus der natürlichen Blutzirkulation zu imitieren und eine chemisch passende Flüssigkeit durch die Blutgefäße im Gehirn eines Schweins zu pumpen. Dabei war es möglich, den Sauerstofffluss zum Hirn bis zu sechs Stunden nach dem Tod des Tieres wiederherzustellen. Viele der dortigen Zellen blieben dadurch mehr als einen Tag lang am Leben und funktionsfähig – obwohl das Team keine elektrische Hirnaktivität feststellen konnte, die darauf schließen ließe, dass das Gehirn das Bewusstsein wiedererlangt hatte.

Wenn die Durchblutung eines Säugetiers eingeschränkt wird, z. B. nach einem Schlaganfall oder einem Herzinfarkt, sterben Zellen aufgrund des Mangels an Sauerstoff und der Nährstoffe, die das Blut transportiert, ab. Dies führt schließlich zum Gewebe- oder gar Organtod. Nachdem das Herz aufgehört hat zu schlagen, beginnen die Organe anzuschwellen, wodurch die Blutgefäße kollabieren und die Zirkulation insgesamt blockiert wird. Die OrganEx-Perfusatflüssigkeit verhindert dies, da sie nicht gerinnt. Zvonimir Vrselja, ein an der Studie beteiligter Neurowissenschaftler an der Yale School of Medicine, beschreibt OrganEx als "ECMO auf Steroiden".

Sterbt nicht, Zellen!

Die Ergebnisse, so Vrselja, legen nahe, dass Zellen nicht so schnell absterben, wie die Medizin bislang angenommen hatte, was die Möglichkeit von Eingriffen eröffnet, die dem Körper quasi mitteilt, "dass die Zellen nicht sterben sollen". "Wir haben gezeigt, dass der Vorgang hin zu einem massiven, dauerhaften Zellversagen nicht so schnell erfolgt, dass er nicht abgewendet oder möglicherweise sogar korrigiert werden kann", fügte der Hirnforscher hinzu.

Sam Parnia, außerordentlicher Professor für Intensivmedizin an der New York University Grossman School of Medicine, der nicht an der Studie beteiligt war, nannte die Ergebnisse "wirklich bemerkenswert". OrganEx könne die Organe von Menschen bewahren, die verstorben sind, bei denen aber die zugrunde liegende Todesursache behandelbar bleibt, wie z. B. ein Ertrinken oder ein Herzinfarkt. "Diese Untersuchung zeigt, dass die gesellschaftliche Konvention, den Tod als ein absolutes Ende zu betrachten, das nur Schwarz oder Weiß kennt, wissenschaftlich nicht haltbar ist", sagte er. "Im Gegensatz dazu ist er aus medizinischer Sicht ein biologischer Prozess, der noch Stunden nach seinem Eintreten behandelbar und reversibel ist."

Das Team plant weitere Tierversuche. Ein naheliegender nächster Schritt ist die Untersuchung, ob die mit OrganEx perfundierten Organe für eine Transplantation tatsächlich geeignet sind, so Studienleiter Sestan. Die Forscher betonen jedoch, dass sich die Technologie noch in einer experimentellen Phase befindet. "Sie ist noch sehr weit von der Anwendung am Menschen entfernt", sagte Stephen Latham, Direktor des Interdisziplinären Zentrums für Bioethik in Yale, der an dem Projekt mitgearbeitet hat.

Wann kommt die Technik zum Menschen?

Es sind also noch viele weitere Experimente erforderlich, bevor das Team auch nur daran denken kann, den gleichen Ansatz am Körper eines Menschen anzuwenden. Aber das heißt nicht, dass es unmöglich wäre. Das Perfusat müsste zwar gegenüber dem Tierversuch an den menschlichen Körper angepasst werden, um sicherzustellen, dass das Gewebe nicht geschädigt wird, sagt Bioethiker Latham und weißt darauf hin, dass es eine schreckliche Vorstellung wäre, wenn nur Teile der Gewebeschäden umgekehrt werden könnten, aber eben nicht alle. "Die Rettung von Organen und ihre Erhaltung für die Transplantation ist meiner Meinung nach ein viel näher liegendes und viel realistischeres klinisches Ziel, das auf dieser Studie basieren kann."

Auch Bernd Böttiger ist optimistisch, was die Weiterentwicklung des Verfahrens angeht. Der Direktor der Klinik für Anästhesiologie und Operative Intensivmedizin, Uniklinik Köln, und Vorstandsvorsitzender des Deutschen Rats für Wiederbelebung sagt gegenüber dem Science Media Center (SMC): "Ich bin davon überzeugt, dass mit den richtigen Techniken und den richtigen Interventionen alle Zellen auch eine längere sogenannte warme Ischämie (Anm. d. Red.: Zeit ohne Blutversorgung bei Körpertemperatur) durch eine Reperfusion überleben können. Zellen und Organe können also nach sehr viel längerer Zeit 'wiederbelebt' werden, als wir uns das heute denken."

Für den Einsatz bei Organspenden

Stefan Kluge, Direktor der Klinik für Intensivmedizin, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE), sieht ebenfalls den Nutzen von OrganEx als Verbesserung des Transports von Spenderorganen, indem der zelluläre Verfall innerhalb der Organe besser aufhaltbar sei. Er sieht die Anwendung allerdings eher außerhalb Deutschlands, "denn hierzulande sind Transplantationen nur nach Hirntod gestattet, der Anwendungsbereich von OrganEx wäre bei uns also limitiert."

Dennoch: Das System wäre zwar potenziell nützlich für die Organtransplantation beim Menschen und könnte dadurch mehr Leben retten, aber es löst eben nicht die größte ethische Frage: jene der Zustimmung durch den Patienten, wie Hank Greely sagt, ein Stanford-Professor für Recht und Ethik, der die BrainEx-Ergebnisse geprüft hatte, aber nicht an der neuesten OrganEx-Forschung beteiligt war.

"Wenn man diese Versuche am Menschen durchführt, ist es wirklich wichtig, dass sie nicht nur darüber informiert werden, dass sie sich freiwillig für eine Organtransplantation zur Verfügung stellen, sondern auch darüber, dass ihr Körper für eine unbestimmte Zeit am Leben erhalten wird, um diese zu unterstützen", sagt er. Unbeantwortet bleibt jedoch eine zentrale Frage: Könnte man das Gehirn wirklich wieder zum Leben erwecken?

(jle)