Künstliches Gewebe hält das Herz im Takt

Rund 200.000 Amerikanern wird jedes Jahr ein Herzschrittmacher eingesetzt. Doch die batteriebetriebenen Apparate, die den Herzschlag kontrollieren, sind keineswegs das Optimum - insbesondere bei betroffenen Kindern, bei denen zumeist regelmäßige Operationen notwendig sind.

Forscher am Kinderkrankenhaus von Boston haben nun eine neue Methode ("American Journal of Pathology", Ausgabe Juli 2006) entwickelt, bei der körpereigenes Muskelgewebe verwendet wird, um eine Art biologischen Herzschrittmacher anzutreiben. Die Technik könnte eines Tages bei bestimmten Herzerkrankungen eingesetzt werden. Im Tiermodell wurden bereits passende Skelettmuskelzellen gezüchtet. Diese wurden dann ins Herz von Ratten eingepflanzt, wo sie die lebenswichtigen elektrischen Impulse an das Herz übermittelten. Vorstellbar wäre, die Therapieform später bei Menschen mit Herzrhythmusstörungen anzuwenden.

Wenn das Herz schlägt, werden elektrische Impulse im oberen Teil des Herzens generiert. Diese pflanzen sich dann durch den Herzmuskel fort und sorgen dafür, dass sich die oberen Herzkammern zusammenziehen. Der Impuls erreicht anschließend einen kleinen Gewebebereich, den so genannten Atrioventrikularknoten (AV-Knoten), wo er kurz innehält. Dies ermöglicht es den unteren Herzkammern, den so genannten Ventrikeln, sich mit Blut zu füllen. Der Impuls erreicht diese schließlich selbst, so dass sich auch diese zusammenziehen.

Der AV-Knoten arbeitet jedoch nicht bei allen Menschen korrekt. Bei Patienten mit einem so genannten kompletten Herzblock ist er derart beschädigt, dass der Impuls nicht von den oberen zu den unteren Herzkammern übertragen wird, so dass das Herz nicht richtig arbeitet. Dieses Phänomen kann sowohl durch Herzkrankheiten, Entwicklungsdefekte als auch durch Verletzungen während chirurgischer Eingriffe entstehen.

Herzschrittmacher, die in das Herz implantiert werden, können das Problem zumeist lösen - sie erkennen den elektrischen Impuls in den oberen Herzkammern und stimulieren dann die unteren Herzkammern, sich zusammenzuziehen. Bei Kindern stellen Schrittmacher jedoch ein großes Problem da: Weil ein junger Mensch noch wächst und die Batterien alle drei bis fünf Jahre ausgetauscht werden müssen, sind womöglich zahlreiche Operationen notwendig. "Wir wollten daher eine zelluläre elektrische Brücke für Kinder mit AV-Knoten-Problemen schaffen", erklärt der Zellbiologe Douglas Cowen, der die Studie am Kinderkrankenhaus von Boston leitet.

"Einer der Hauptvorteile einer biologischen Alternative zum Schrittmacher wäre, dass sie mit dem Kind mitwächst", meint David Lathrop von National Heart, Lung and Blood Institute der US-Nationalinstitute für Gesundheit. Lathrop leitet dort die Forschungsgruppe für Herzrhythmusstörungen.

Neben der Mannschaft von Cowen entwickeln auch andere Wissenschaftlerteams biologische Schrittmacher-Alternativen. Cowens Technik hat allerdings den Vorteil, dass sie die direkten elektrischen Impulse des Herzens weiterleiten kann - ein neues Signal wird nicht generiert, wie dies bei anderen Verfahren der Fall ist. "Cowens Ansatz orientiert sich an dem natürlichen Prozess der Impulsweiterleitung im Herzen. Bislang ist allerdings noch unklar, ob dieser Ansatz besser ist", sagt Lathrop. Weder Cowens Technik noch deren Alternativen befinden sich derzeit jedoch in einem Stadium für klinische Tests - dies könne noch Jahre dauern, meint Lathrop.

Cowen und Kollegen entnahmen in ihrem Tiermodell Skelettmuskelzellen von Ratten und übertrugen sie in ein spezielles Collagengerüst. Dort bildeten sich die Zellen dann zu einem passenden Weiterleitungsinstrument aus und gaben ein Protein ab, das kleine Poren zwischen den Zellen bildete. So wurde es möglich, elektrische Impulse zu übertragen.

Implantierte man Teile dieses Materials nun in Rattenherzen, integrierte es sich in das bestehende Herzgewebe. Elektrische Verbindungen zu natürlichen Zellen entwickelten sich. Die Forscher nutzten schließlich optische bildgebende Verfahren, um zu zeigen, dass die neuen Zellen tatsächlich elektrisch aktiv waren und somit zu einer Impulsweiterleitung dienen konnten. (Die Ratten litten allerdings nicht an einem Herzblock, weil sie dann nicht lange genug gelebt hätten - ihre Herzen sind zu klein, um Schrittmacher aufzunehmen.)

Cowan und sein Team müssen jedoch noch einige Hürden nehmen. So müsste ihre Zelle eigentlich die winzige Unterbrechung nachbilden, die natürliche AV-Knoten kennzeichnet. Ohne sie funktioniert das Herz nicht richtig. Um diese Funktion zu erreichen, werden derzeit verschiedene Zelltypen überprüft - darunter Stammzellen aus Blut und Knochenmark, die sich zu künstlichen Herzzellen umbilden ließen. Die Forscher nutzten bislang vor allem deshalb Skelettmuskelzellen, weil sie so leicht zu beschaffen sind - sie ließen sich bei Patienten, die einen Schrittmacher benötigen, durch eine einfache Muskelbiopsie entnehmen. Stammzellen müssen hingegen unter besonderen Bedingungen kultiviert werden.

Das Forscherteam testet die Therapieform als nächsten Schritt nun bei größeren Tieren, deren Herzen denen von Menschen stärker ähneln. Bei ihnen soll nach dem Implantat eines elektronischen Herzschrittmachers und der neuen Schrittmacher-Zellen ein künstlicher Herzblock hervorgerufen werden. Dann ließe sich feststellen, ob die Zellen der Forscher tatsächlich die Aufgabe eines Schrittmachers übernehmen könnten.

"Je weniger "Hardware" man implantieren muss, desto so besser", meint Ivan Veseley vom Kinderkrankenhaus in Los Angeles, der als biomedizinischer Ingenieur unter anderem an künstlichem Herzgewebe forscht. "Wenn das einzige Problem die fehlende Impulsweiterleitung ist, macht es doch viel mehr Sinn, diese biologisch-künstlich zu emulieren, anstatt das gesamte Herz in die Obhut eines Schrittmachers zu geben."

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)