Für Herzforschung: Roboterfisch wird von menschlichen Herzzellen angetrieben
US-Forscher wollen die Entwicklung von künstlichen Herzen voranbringen. An einem bio-hybriden Fisch treiben sie grundlegende Forschungsarbeit.
(Bild: Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker)
Ein Forscherteam der US-amerikanischen Harvard University und Emory University hat einen sich selbstständig fortbewegenden bio-hybriden Fisch entwickelt, der zum Teil aus menschlichen Stammzell-Herzmuskelzellen besteht. Der Fisch wird vorangetrieben, indem er die Muskelkontraktionen eines pumpenden Herzens nachahmt. Die Forscher sehen darin einen ersten Schritt der Schaffung eines Kunstherzens und zur besseren Erforschung von Herzkrankheiten.
Das große Ziel sei es, ein künstliches Herz zu bauen, um missgebildete Herzen bei Kindern ersetzen zu können, beschreibt Kit Parker, Professor für Bioingenieurwesen und Angewandte Physik an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und Hauptautor der in Science publizierten Studie zum Roboterfisch das hochgesteckte Ziel. Die derzeitigen Ansätze, künstliche Herzen zu entwickeln, würden sich auf die Nachbildung anatomischer Merkmale und eines einfachen Herzschlags in künstlichen Geweben konzentrieren. Der von dem Wissenschaftsteam verfolgte Ansatz versuche grundlegende biophysikalische Prinzipien zu identifizieren, die ein Herz funktionsfähig machen.
Herzmuskelzellen als Antrieb
Ausgangssituation ist, dass das menschliche Herz Blut pumpen kann, ohne dabei Signale vom Gehirn erhalten zu müssen. Diese als Herzautomatismus bezeichnete Eigenschaft wird durch elektrische Signale und mechanische Rückkopplung innerhalb des Herzzellengewebes koordiniert. Wie der Prozess genau funktioniert, sei allerdings noch nicht vollständig verstanden. Die Funktionsweise lasse sich an einem künstlichen Fisch aber einfacher nachvollziehen und erforschen, beschreibt Parker den Grund für das ungewöhnliche Projekt.
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Der von dem Forscherteam entwickelte künstliche Fisch macht sich den Herzautomatismus zunutze. Der Fisch besteht aus Kunststoff, Gelantine und einer Schwanzflosse, die aus zwei Schichten menschlicher Herzzellen, aus Stammzellen gewonnenen Kardiomyozyten, besteht. Keel Yong Lee, Postdoktorand an der SEAS, sagt, dass die mechanisch elektrischen Signale zwischen den beiden Muskelschichten dazu genutzt werden, um Kontraktionen zu erzeugen, auf die jeweils auf der Gegenseite eine Reaktion erfolgt. Kurz: Wenn sich die eine Seite zusammenzieht, dehnt sich die andere aus und umgekehrt. Das führt in einer Zellkultur schwimmend zu einer Bewegung der Schwanzflosse, die zum Vortrieb des Fisches genutzt wird.
Um die spontanen Kontraktionen besser steuern zu können, entwickelten die Forscher einen autonomen Schrittmacherknoten (G-Knoten), der ähnlich wie der Sinusknoten im menschlichen Herzen als Haupttaktgeber funktioniert und zu regelmäßigen Kontraktionen und beim Fisch zu regelmäßigen Bewegungen der Schwanzflosse führt.
Nach Angaben der Forscher konnte der Roboterfisch so insgesamt 108 Tage lang selbstständig schwimmen. Dabei beobachteten die Forscher, dass der Fisch mit zunehmendem Alter im ersten Monat leistungsfähiger wurde, weil die Kardiomyozyten reiften. Die im gesamten Zeitraum erreichten Flossenbewegungen würden rund 38 Millionen Herzschlägen entsprechen. Skaliert auf einen echten Fisch mit ähnlicher Größe würde der bio-hybride Fisch eine etwa gleich hohe Schwimmgeschwindigkeit und -leistung erreichen wie Zebrafische, die sich die Forscher bei der Entwicklung des Roboterfisches zum Vorbild genommen haben. Auch sei es erstaunlich, dass die isolierten Primärzellen solange überleben konnten.
Als Forschungsergebnis nimmt das Wissenschaftsteam mit, dass viele Mechanismen der Herzregulation autonom auf der Ebene kontraktiler Strukturen ablaufen. Im nächsten Schritt will das Team herausfinden, wie dies bei der Entwicklung von Kunstherzen berücksichtigt werden kann.
(olb)
