In Harvard wurde ein wichtiger Schritt zur Herstellung menschlicher Herzen für Transplantationen unternommen

Das Herz ist nicht in der Lage, sich nach einer Schädigung zu regenerieren. Daher sind die Bemühungen der Spezialisten für Tissue Engineering, die versuchen, Techniken zur Regeneration des Herzmuskels zu entwickeln und in Zukunft ein ganzes Herz von Grund auf zu schaffen, für die Kardiologie und die Herzchirurgie von großer Bedeutung. Dies ist jedoch eine schwierige Aufgabe, da einzigartige Strukturen nachgebildet werden müssen, vor allem die spiralförmige Anordnung der Zellen. Es wird seit langem vermutet, dass diese Art der Zellorganisation notwendig ist, um ausreichend große Blutmengen zu pumpen.


Bioingenieuren der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ist es gelungen, das erste Biohybrid-Modell einer menschlichen Herzkammer mit spiralförmig angeordneten Herzzellen zu schaffen und damit zu beweisen, dass die Vermutung richtig war. Durch diese spiralförmige Anordnung der Zellen wird die Blutmenge, die bei jedem Herzschlag gepumpt wird, deutlich erhöht. Dies ist ein wichtiger Schritt, der uns dem Ziel näher bringt, ein transplantierbares Herz von Grund auf zu bauen", sagt Professor Kit Parker, einer der Hauptautoren der Studie. Die Ergebnisse können wir auf den Seiten von Science nachlesen.

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Der Grundstein für die heutigen Errungenschaften amerikanischer Wissenschaftler wurde vor 350 Jahren von dem Engländer Richard Lower gelegt. Der Arzt, zu dessen Patienten auch König Karl II. gehörte, war der erste, der bemerkte und im Tractatus de Corde beschrieb, dass die Fasern des Herzmuskels spiralförmig angeordnet sind. Im Laufe der folgenden Jahrhunderte lernten die Wissenschaftler immer mehr über das Herz, aber die Untersuchung der spiralförmigen Anordnung seiner Zellen war sehr schwierig. 1969 stellte Edward Sallin von der medizinischen Fakultät der Universität von Alabama die Hypothese auf, dass es die spiralförmige Anordnung der Zellen ist, die das Herz so effizient arbeiten lässt. Es war jedoch nicht einfach, diese Hypothese zu überprüfen, da es sehr schwierig ist, Herzen mit unterschiedlichen Geometrien und Faseranordnungen zu bauen.
Unser Ziel war es, ein Modell zu bauen, mit dem wir die Hypothese von Sallin überprüfen und die Bedeutung der spiralförmigen Faserstruktur untersuchen konnten", erklärt John Zimmerman vom SEAS.

Die Forscher entwickelten eine Methode namens Focused Rotary Jet Spinning (FRJS). Das Gerät funktioniert ähnlich wie ein Zuckerwatte-Automat. Das flüssige Biopolymer im Tank tritt durch eine kleine Öffnung aus und wird durch die Zentrifugalkräfte, die auf den rotierenden Tank wirken, nach außen gedrückt. Nach dem Verlassen des Tanks verdampft das Lösungsmittel aus dem Biopolymer und das Material härtet zu Fasern aus. Ein präzise gesteuerter Luftstrom wiederum bringt die Fasern in die richtige Form. Durch die Manipulation dieses Strahls ist es möglich, den Fasern die richtige Struktur zu geben, die die der Herzmuskelfasern nachahmt. Mit FRJS können wir komplexe Strukturen präzise nachbilden, indem wir Ein- und sogar Vier-Kammer-Strukturen schaffen, fügt Hubin Chang hinzu.

Nachdem die entsprechenden Strukturen auf diese Weise gewebt worden waren, brachten die Forscher Rattenherzmuskelzellen oder aus Kardiomyozyten gewonnene menschliche Stammzellen auf ein solches Gerüst auf. Eine Woche später war das Gerüst mit mehreren Schichten kontraktiver und diastolischer Herzzellen bedeckt, deren Anordnung derjenigen der Biopolymerfasern entsprach.
Die Forscher schufen zwei Herzzellarchitekturen. Eine mit spiralförmig angeordneten Fasern, die andere mit kreisförmig angeordneten Fasern. Anschließend verglichen sie die Verformung der Kammer, die Geschwindigkeit der Übertragung elektrischer Signale und die Menge des während der Kontraktion ausgestoßenen Blutes. Es zeigte sich, dass die Kammer mit radial angeordneten Fasern der Kammer mit kreisförmiger Anordnung in allen getesteten Aspekten überlegen war.

Darüber hinaus zeigten die Wissenschaftler, dass ihre Methode nicht nur auf die Größe eines menschlichen Herzens, sondern sogar auf die Größe eines Zwergwalherzens skaliert werden kann. Sie führten keine Tests mit größeren Modellen durch, da dies die Verwendung von Milliarden von Kardiomyozyten erfordert hätte.