Herz aus dem Bio-Reaktor

Forscher wollen Ersatzorgane züchten, indem sie Spenderorgane mit Zellen des Empfängers neu besiedeln. Das könnte die Transplantationsmedizin revolutionieren, berichtet Technology Review in seiner aktuellen Ausgabe 09/08 (seit dem 21. 8. am Kiosk oder portokostenfrei online zu bestellen). Die Forscher am Zell- und Molekularbiologie-Labor der University of Minnesota starten mit einem Ratten- oder Schweineherz und waschen dessen Zellen chemisch weg. Übrig bleibt die extrazelluläre Matrix, ein Gerüst aus Kohlenwasserstoffen und Proteinen, wodurch die Struktur der Kammern, Klappen und Blutgefäße erhalten bleibt. Dann gibt das Team um Doris Taylor Herzzellen dazu, die sie aus neugeborenen Tieren gewonnen haben. Das Organ wird in einem Bioreaktor ernährt, der ihm zusätzlich physiologische Reize wie Druck und elektrische Stimulation bietet. Bald beginnt das neue Herz schwach, aber von alleine zu schlagen.

Ziel des Projekts ist es, Herzen und andere Organe für Transplantationen zu züchten, indem die extrazelluläre Matrix von Organen aus menschlichen Leichen oder Schweinen mit Zellen des Patienten besiedelt wird. Besteht nämlich das neu geschaffene Organ aus Zellen des Patienten, ist es kompatibel zu dessen Körperabwehr. Theoretisch benötigen diese Patienten dann keine Medikamente mehr, die das Immunsystem unterdrücken, denn das biologische Ersatzherz löst keine starke Immunreaktion aus.

Taylor entschied sich dafür, reale Herzen als Startmaterial zu verwenden, weil die Anatomie des Organs viel zu komplex ist, um es im Labor nachbauen zu können – jedenfalls in absehbarer Zeit. „Die Natur hat bereits einen Weg gefunden, das Gerüst zu bauen“, sagt Taylor, „warum sollten wir also versuchen, es nachzubauen, solange wir nicht wissen, was dazu alles nötig ist?“

Um die Zellen des tierischen Herzens wegzuspülen, „beginnen wir mit einem üblen Lösungsmittel, das die Zellen buchstäblich platzen lässt“, sagt Taylor. Bei größeren Herzen füllt Stefan Kren, Taylors Mitarbeiter, ein großes Gefäß mit dem Lösungsmittel und lässt es durch einen Gummischlauch in das Herz fließen. Die größere Herausforderung ist allerdings bislang, neue Zellen in dem Gerüst anzusiedeln und sie im Bioreaktor zu züchten.

Das Team benutzt eine Zellkultur aus vier verschiedenen Zelltypen: Herzmuskelzellen; Endothelzellen, die Blutgefäße auskleiden; glatte Muskelzellen, die im Darm oder in Blutgefäßen vorkommen; sowie Bindegewebszellen. Bisher haben die Forscher nur den linken Ventrikel mit neuen Zellen besiedelt, die andere Herzkammer und die beiden Vorhöfe müssen noch folgen. Sobald die Zellen am Platz sind, beginnt die elektrische Stimulation. In diesem Stadium simuliert der Bioreaktor eine Reihe von Eigenschaften des Herz-Lungen-Systems. Aus einem Stahltank blubbert sauerstoffreiches Gas in einen Zylinder voller Nährlösung. Eine kleine Pumpe drückt diese Lösung durch einen Katheter in den linken Ventrikel des Herzens. Die Lösung stellt nicht nur Nährstoffe zur Verfügung, sagt Taylor. Das Pumpen dehnt das Herz auch mechanisch, so wie es ein normaler Herzschlag tun würde. „Wir wollen die Zellen auf diese Weise trainieren, damit sie das Blut wirklich herauspumpen und nicht nur dasitzen und zucken.“ 40 Tage lang hat die Gruppe die Rattenherzen im Bioreaktor erhalten können. Nach acht Tagen waren die Organe in der Lage, etwa zwei Prozent der Kraft zu entwickeln, die das Herz einer ausgewachsenen Ratte hat. Die Forscher hoffen, diesen Wert zu verbessern, indem sie das Gerüst effektiver mit Zellen besiedeln. Aber erst das nächste Ziel ist wirklich respekteinflößend: die Herzen erfolgreich in Tiere zu transplantieren. (Amanda Schaffer) / (wst)