Gezielter neue Herzmuskelzellen herstellen

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Herzvorläuferzellen, die im Labor aus iPS-Zellen hergestellt wurden (leuchtend grün), verwandeln sich zu Herzmuskelgewebe, wenn sie in Mäuseherzen injiziert werden (rot). Dabei integrierten sich die ins Gewebe gespritzten Zellen in den Zellverband des Pumpmuskels. Quelle: Fraunhofer IGB

26.11.2012  - 

Nach einem Infarkt ist Herzgewebe dauerhaft geschädigt. Die Regenerative Medizin versucht, mit der Verabreichung lebender Zellen vor Ort die Leistungsfähigkeit des Pumpmuskels wiederherzustellen. Das benötigte Zellmaterial ­– ausgereifte Herzmuskelzellen – ist allerdings schwierig herzustellen. Ein Forscherteam vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart hat mit US-Kollegen hier zwei entscheidende Fortschritte erzielt – zumindest bei Mäusen. Sie entwickelten einen Nachweis für Herzmuskel-Vorläuferzellen und konnten so die Zellen im Labor zuverlässiger als bisher herstellen. Die Arbeiten werden über eine deutsch-kalifornische Förderkooperation vom Bundesforschungsministerium (BMBF) und dem California Institute for Regenerative Medicine (CIRM) unterstützt.

Eine Viertelmillion Menschen erleiden jährlich in Deutschland einen Herzinfarkt. Obwohl die Zahlen rückläufig sind, ist der Verschluss der Herzkranzgefäße eine der häufigsten Todesursachen in der industrialisierten Welt. Ein Herzinfarkt tritt auf, wenn ein Blutgerinnsel die Herzkranzgefäße verschließt.

Das Herz wird nicht mehr ausreichend mit Blut versorgt, der unterversorgte Teil des Herzmuskelgewebes stirbt ab. Die Folge: Herzrhythmusstörungen, Kammerflimmern oder sogar plötzlicher Herztod. Selbst wenn Patienten einen Herzinfarkt überstehen, sind sie danach stark eingeschränkt: Die abgestorbenen Herzmuskelzellen können sich nicht aus eigener Kraft regenerieren. Um die Funktionalität des Herzens wieder herzustellen, möchten Mediziner mit der Verabreichung von neuen Zellen vor Ort die Regenerationsfähigkeit des Herzgewebes wieder ankurbeln.

Schwierige Suche

Seit Beginn der 1990er Jahre wird deshalb an Stammzelltherapien geforscht (mehr...). Herzmuskelzellen können aus kardiovaskulären Vorläuferzellen (cardiovascular progenitor cells, CPC) gewonnen werden. Im Labor war die Gewinnung dieser Zellen jedoch bisher nicht zweifelfrei möglich, denn es fehlte eine klare Identifikation dieser Vorläuferzellen: Die Marker, die sie einwandfrei ausweisen, befinden sich im Innern der Zelle. Man musste also die Zelle zerstören, um ihren „Personalausweis“ zu überprüfen.

Für eine Therapie sind jedoch lebende Zellen notwendig, die aus einer Kultur mit verschiedenen Zelltypen herausgefischt werden müssen. Hierbei ist dem Team um Katja Schenke-Layland vom Fraunhofer IGB in Zusammenarbeit mit Ali Nsai von der University of California Los Angeles ein entscheidender Fortschritt gelungen: Sie konnten zwei bedeutende Marker an der Oberfläche der Zellen nachweisen, die Rezeptoren namens Flt1 und Flt4, anhand derer sich die Vorläuferzellen zweifelsfrei identifizieren lassen. „Wir haben die kardiovaskulären Vorläuferzellen mit Hilfe von Genexpressionsanalysen auf Microarrays untersucht“, beschreibt die Biologin ihre Methodik. „Diese Studien zeigen genau, welche Gene zu welchem Zeitpunkt aktiv sind.“ Ihre Ergebnisse, jeweils ganz spezifische Abfolgen von DNA-Basenpaaren, verglichen die Forscher mit Sequenzierungsdaten aus Datenbanken – immer besonders die Basenpaar-Folgen im Blick, die bereits als Oberflächenmarker bekannt waren. Die Forscher berichten im Fachjournal PLoS ONE (2012, Online-Veröffentlichung).

Zweiter Schritt: CPC selbst herstellen

Nachdem sie die CPC eindeutig identifizieren konnten, gingen die Forscher um Schenke-Layland noch einen Schritt weiter: Sie stellten die CPC aus induzierten, pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) neu her. Dabei nutzten sie das von Medizin-Nobelpreisträger Shinya Yamanaka entwickelte Rezept (mehr...). Das Team um Schenke-Layland nutzte ebenso wie Yamanaka die Zelle eines Mausstamms, in die sie die vier Pluripotenzfaktoren einschleusten. Vorher hatten sie die Zellen jedoch mit einem grün fluoreszierenden Protein markiert. „Anhand unserer neuen Nachweismethode mittels der Oberflächenmarker konnten wir in der Kultur CPCs nachweisen und isolieren“, berichtet Schenke-Layland. „Wenn wir diese isolierten Maus-CPCs dann weiter in vitro kultivieren, entwickeln sie sich tatsächlich zu Endothelzellen, glatten Muskelzellen und funktionalen, pulsierenden Herzmuskelzellen.“

Erfolgreich integriert

Nun galt es für die Ersatzzellen aus dem Labor, den Praxistest zu bestehen. Dazu injizierten die Forscher die markierten CPCs in das Herz einer lebenden Maus. Mit Erfolg: Nach 28 Tagen hatten sich die grün markierten Vorläuferzellen zu schlagenden Herzmuskelzellen entwickelt und vollkommen in das Herzgewebe der Maus integriert. Die Wissenschaftler wollen nun untersuchen, inwieweit sich das Verfahren auf humane Herzmuskelzellen übertragen lässt.

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