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Innere OrganeHerzkreislauf

Wie baut man ein Herz?

Laut WHO leiden jährlich 400 Millionen Menschen an einer Herz-Kreislauf-Erkrankung und global gesehen sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen Todesursache Nummer Eins. IMBA Gruppenleiter Sasha Mendjan und sein Team erforschen die biologische Entwicklung des Herzens, das am aufwendigsten konstruierte Organ des Menschen. Das langfristige Ziel ist, ein Herz im Labor zu züchten. Neueste Stammzelltechnologie könnte dies möglich machen.

Etwa 60 bis 80 Mal in der Minute, rund 100.000 Mal am Tag schlägt unser Herz. Es ist die Pumpe des Blutkreislaufs, ein Hochleistungsmotor des Lebens. Das Herz ist aus mehr als 10 verschiedenen Gewebetypen aufgebaut, was es zu einem sehr komplexen Organ für die Forschung macht. Um die Entwicklung des Herzens ganzheitlich verstehen zu können und die Ursache verschiedenster Krankheiten zu finden, „bauen“ die ForscherInnen selbst ein kleines Herz in der Petrischale nach. Und zwar von der ersten Stammzelle bis hin zum fertigen Organ.


Pulsierende Herzzellen

Herzzellen sprechen miteinander

Wann fängt ein Herz an zu schlagen? Woher wissen die Zellen während der Herzentwicklung, welcher Zelltyp aus ihnen werden soll, zu welchem Gewebetyp sie später gehören werden? Wie bildet sich später die dreidimensionale Form des Organs? Wie groß soll das Herz werden? Wie muss das Zusammenspiel aller Zellen organisiert sein, damit das Herz dann auch schlägt und seine Aufgabe erfüllen kann?


"Das Herz besteht aus vielen verschiedenen Bausteinen, deren Zusammenspiel wir mit neuester Stammzelltechnologie gezielt erforschen. So gewinnen wir wertvolle Erkenntnisse zu Herzentwicklung und Herz-Kreislauf-Erkrankungen."

Sasha Mendjan

Forschungsgruppenleiter am IMBA

Um all diese Fragen zu beantworten, simuliert Sasha Mendjan mit seinem Team den Entwicklungsprozess in der Petrischale. Aus menschlichen Stammzellen züchten die ForscherInnen Zellverbände, die sich später selbst organisieren und „Herz-Organoide“ genannt werden. Sie geben wichtige Einblicke über das Zusammenspiel der einzelnen Zellarten im heranwachsenden Herz. Das Geheimnis liegt in einer großen Zahl an biochemischen Signalen. Denn die Zellen „sprechen“ miteinander. Sie senden Signale aus, die anderen Zellen antworten wiederum mit anderen Signalen. So kommt es zu einer angeregten Kommunikation.


Kalzium

Von Herzfehlern, Herzinfarkten und Herzregeneration

Wie alle Zelltypen einzeln gezüchtet werden können, weiß man bereits. Im nächsten Schritt geht es um die dreidimensionale Form und die Funktion des Herzens. So wollen die WissenschaftlerInnen die Entstehung von Herzfehlern genau studieren. Wussten Sie, dass ein großer Teil aller Fehlgeburten durch eine Herzfehlbildung des Embryos in einem sehr frühen Stadium verursacht wird?

Wichtige Erkenntnisse liefern die Mini-Herzen auch für eine Regeneration des Herzens nach einem Herzinfarkt: Bei einem Infarkt sterben viele Millionen Herzmuskelzellen ab. Das Gewebe im Herzen bildet Narben und verliert dort die Fähigkeit zu pulsieren. Leider gibt es im Herzen keine adulten Stammzellen, die für einen Nachschub an Zellen sorgen könnten, wie es in anderen Organen sehr wohl möglich ist. Auch die Entwicklung von Fettdepots am Herzen sowie deren Funktion im Stoffwechsel sehen sich die Forscher genau an, um die Ursache von fatalen Herzkreislauf-Erkrankungen zu verstehen.


"Die Methode wird die moderne Medizin einen wesentlichen Schritt weiterbringen. Wir sind zuversichtlich, dass wir mit unserer Forschung Lösungsansätze für die globale gesellschaftliche Herausforderung der Herz-Kreislauf-Erkrankungen beitragen können."

Sasha Mendjan

Forschungsgruppenleiter am IMBA

Woraus entstehen die Mini-Herzen?

Herz-Organoide im Labor wachsen aus menschlichen Stammzellen. Es handelt sich dabei aber nicht um embryonale Zellen, sondern sogenannte iPs Zellen. Diese können aus nahezu jeder Körperzelle des Menschen gewonnen werden, etwa aus Blut- oder Hautzellen. Die Körperzellen werden in einem speziellen Verfahren zu Stammzellen „zurückprogrammiert“, aus denen wiederum ein komplett neuer Organismus entstehen könnte. In der Forschungsgruppe von Sasha Mendjan entstehen aus den iPs Zellen kleine Herz-Organoide, aber auch andere Organoide werden am IMBA gezüchtet, wie Gehirn-Organoide oder Tumor-Organoide.

Lässt man iPs Zellen und in weiterer Folge Mini-Herzen aus dem biologischen Material von Patienten wachsen, ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie. Man kann beispielsweise die Wechselwirkung der Organoide mit Chemikalien untersuchen und so rasch und ungefährlich Medikamente auf ihre Wirksamkeit bei Patienten testen. Oft gibt es hier nämlich erhebliche Unterschiede zwischen Männern, Frauen und Kindern. Außerdem können auf diese Weise Tierversuche reduziert werden, ein weiterer Aspekt des enormen Potenzials dieser Methode.