Tissue Engineering: Wie man ein Herz baut

Doris Taylor nimmt es nicht als Beleidigung, wenn Leute sie Dr. Frankenstein nennen. „Es war tatsächlich eines der größeren Komplimente, die ich bekommen habe“, sagt sie — eine Bestätigung, dass ihre Forschung die Grenzen des Möglichen überschreitet. Angesichts der Art ihrer Arbeit als Direktorin für regenerative Medizinforschung am Texas Heart Institute in Houston muss Taylor zugeben, dass der Vergleich zutreffend ist. Sie erntet regelmäßig Organe wie Herz und Lunge von neu Verstorbenen, konstruiert sie ausgehend von den Zellen neu und versucht, sie wieder zum Leben zu erwecken, in der Hoffnung, dass sie in den Lebenden wieder schlagen oder atmen könnten.

Taylor steht an der Spitze von Forschern, die ganze neue Organe konstruieren wollen, um Transplantationen ohne das Risiko einer Abstoßung durch das Immunsystem des Empfängers zu ermöglichen. Die Strategie ist im Prinzip einfach genug. Entfernen Sie zuerst alle Zellen aus einem toten Organ — es muss nicht einmal von einem Menschen stammen -, nehmen Sie dann das zurückgelassene Proteingerüst und bevölkern Sie es mit Stammzellen, die immunologisch auf den bedürftigen Patienten abgestimmt sind. Voilà! Der lähmende Mangel an transplantierbaren Organen auf der ganzen Welt ist gelöst.

In der Praxis ist der Prozess jedoch mit enormen Herausforderungen verbunden. Forscher hatten einige Erfolge mit dem Anbau und der Transplantation hohler, relativ einfacher Organe wie Luftröhren und Blasen (siehe go.nature.com/zvuxed Das Wachstum fester Organe wie Nieren oder Lunge bedeutet jedoch, Dutzende von Zelltypen in genau die richtigen Positionen zu bringen und gleichzeitig vollständige Netzwerke von Blutgefäßen aufzubauen, um sie am Leben zu erhalten. Die neuen Organe müssen steril sein, in der Lage sein zu wachsen, wenn der Patient jung ist, und zumindest nominell in der Lage sein, sich selbst zu reparieren. Am wichtigsten ist, dass sie arbeiten müssen – idealerweise ein Leben lang. Das Herz ist das dritthäufigste Organ nach der Niere und der Leber, mit einer Warteliste von etwa 3.500 allein in den Vereinigten Staaten, aber es stellt zusätzliche Herausforderungen für die Transplantation und Biotechnik. Das Herz muss ständig schlagen, um etwa 7.000 Liter Blut pro Tag ohne Backup zu pumpen. Es hat Kammern und Ventile, die aus verschiedenen Arten spezialisierter Muskelzellen bestehen, die als Kardiomyozyten bezeichnet werden. Und Spenderherzen sind selten, weil sie oft durch Krankheit oder Wiederbelebungsbemühungen geschädigt werden, so dass eine stetige Versorgung mit biotechnologisch hergestellten Organen willkommen wäre.

Taylor, der einige der ersten erfolgreichen Experimente zum Bau von Rattenherzen1 leitete, ist optimistisch, was diese ultimative Herausforderung im Tissue Engineering angeht. „Ich denke, es ist hervorragend machbar“, sagt sie und fügt schnell hinzu: „Ich denke nicht, dass es einfach ist.“ Einige Kollegen sind weniger optimistisch. Paolo Macchiarini, Thoraxchirurg und Wissenschaftler am Karolinska-Institut in Stockholm, der mehreren Patienten biotechnologisch hergestellte Luftröhren transplantiert hat, sagt, dass Tissue Engineering zwar zur Routine werden könnte, um röhrenförmige Strukturen wie Windrohre, Arterien und Speiseröhren zu ersetzen, er ist „nicht zuversichtlich, dass dies bei komplexeren Organen der Fall sein wird“.

Doch die Mühe kann sich lohnen, auch wenn sie fehlschlägt, sagt Alejandro Soto-Gutiérrez, Forscher und Chirurg an der Universität von Pittsburgh in Pennsylvania. „Neben dem Traum, Organe für Transplantationen herzustellen, gibt es viele Dinge, die wir von diesen Systemen lernen können“, sagt er — darunter ein besseres Grundverständnis der Zellorganisation im Herzen und neue Ideen, wie man eine reparieren kann.

NIK SPENCER/NATUR

Das Gerüst

Seit mehr als einem Jahrzehnt können Biologen embryonale Stammzellen in einer Schale in schlagende Herzmuskelzellen verwandeln. Mit ein wenig elektrischer Schrittmacherei von außen fallen diese künstlichen Herzzellen sogar in Schritt und halten den synchronen Schlag stundenlang aufrecht.

Aber von zuckenden Blobs in einer Petrischale zu einem funktionierenden Herzen zu gelangen, erfordert ein Gerüst, um die Zellen in drei Dimensionen zu organisieren. Forscher könnten schließlich in der Lage sein, solche Strukturen mit dreidimensionalem Druck zu erzeugen – wie dies Anfang dieses Jahres mit einer künstlichen Luftröhre2 demonstriert wurde (siehe Nature http://doi.org/m2q; 2013). Auf absehbare Zeit ist die komplexe Struktur des menschlichen Herzens jedoch selbst für die anspruchsvollsten Maschinen unerreichbar. Dies gilt insbesondere für die komplizierten Netzwerke von Kapillaren, die das Herz mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen und Abfallprodukte aus der Tiefe seines Gewebes entfernen müssen. „Die Vaskularität ist die größte Herausforderung“, sagt Anthony Atala, Urologe an der Wake Forest University in Winston-Salem, North Carolina, der Patienten biotechnologische Blasen implantiert3 und arbeitet am Aufbau von Nieren (siehe Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

Die führenden Techniken für Möchtegern-Herzbauer beinhalten im Allgemeinen die Wiederverwendung dessen, was die Biologie bereits geschaffen hat. Ein guter Ort, um zu sehen, wie das gemacht wird, ist das Massachusetts General Hospital in Boston, wo Harald Ott, Chirurg und Forscher für regenerative Medizin, eine Methode demonstriert, die er Mitte der 2000er Jahre während seiner Ausbildung unter Taylor entwickelt hat.

In einer trommelförmigen Kammer aus Glas und Kunststoff hängt ein frisches menschliches Herz. In der Nähe befindet sich eine Pumpe, die leise Blut durch einen Schlauch in die Aorta des Herzens drückt. Die Strömung zwingt die Aortenklappe geschlossen und sendet das Blut durch das Netzwerk von Blutgefäßen, die den Muskel zugeführt, bis sein Besitzer ein paar Tage starb vor. Im Laufe von etwa einer Woche, erklärt Ott, wird dieser Waschmittelfluss Lipide, DNA, lösliche Proteine, Zucker und fast das gesamte andere Zellmaterial aus dem Herzen entfernen und nur ein blasses Netz aus Kollagen, Lamininen und anderen Strukturproteinen hinterlassen: die ‚extrazelluläre Matrix‘, die einst das Organ zusammenhielt.

Das Gerüstherz muss nicht menschlich sein. Schweine sind vielversprechend: sie tragen alle wichtigen Komponenten der extrazellulären Matrix, aber es ist unwahrscheinlich, dass sie menschliche Krankheiten tragen. Und ihre Herzen werden selten durch Krankheit oder Wiederbelebungsbemühungen geschwächt. „Schweinegewebe sind viel sicherer als Menschen und es gibt eine unbegrenzte Versorgung“, sagt Stephen Badylak, Forscher für regenerative Medizin an der Universität von Pittsburgh.

Der schwierige Teil, sagt Ott, ist sicherzustellen, dass das Reinigungsmittel genau die richtige Menge an Material auflöst. Streifen Sie zu wenig ab, und die Matrix kann einige der Zelloberflächenmoleküle zurückhalten, die zur Abstoßung durch das Immunsystem des Empfängers führen können. Streifen Sie zu viel weg, und es könnte lebenswichtige Proteine und Wachstumsfaktoren verlieren, die neu eingeführten Zellen sagen, wo sie haften und wie sie sich verhalten sollen. „Wenn Sie ein milderes Mittel und einen kürzeren Zeitrahmen verwenden können, erhalten Sie eine stärkere Umbaureaktion“, sagt Thomas Gilbert, der die Dezellularisierung bei ACell, einem Unternehmen in Columbia, Maryland, untersucht, das extrazelluläre Matrixprodukte für die regenerative Medizin herstellt.

Durch Versuch und Irrtum, die Konzentration, das Timing und den Druck der Detergenzien zu erhöhen, haben Forscher den Dekellularisierungsprozess an Hunderten von Herzen und anderen Organen verfeinert. Es ist wahrscheinlich die am besten entwickelte Phase des organerzeugenden Unternehmens, aber es ist nur der erste Schritt. Als nächstes muss das Gerüst mit menschlichen Zellen neu besiedelt werden.

Die Zellen

‚Rezellularisierung‘ stellt eine weitere Reihe von Herausforderungen, sagt Jason Wertheim, Chirurg an der Feinberg School of Medicine der Northwestern University in Chicago, Illinois. „Erstens, welche Zellen verwenden wir? Zwei, wie viele Zellen verwenden wir? Und drittens, sollten es reife Zellen, embryonale Stammzellen, iPS-Zellen sein? Was ist die optimale Zellquelle?“

Die Verwendung reifer Zellen ist gelinde gesagt schwierig, sagt Taylor. „Sie können erwachsene Kardiozyten nicht dazu bringen, sich zu vermehren“, sagt sie. „Wenn Sie könnten, würden wir dieses Gespräch überhaupt nicht führen“ — weil beschädigte Herzen sich selbst reparieren könnten und keine Transplantationen erforderlich wären.

Die meisten Forscher auf diesem Gebiet verwenden eine Mischung aus zwei oder mehr Zelltypen, wie z. B. Endothelvorläuferzellen, um Blutgefäße auszukleiden, und Muskelvorläufer, um die Wände der Kammern zu säen. Ott hat diese aus iPS-Zellen gewonnen – adulten Zellen, die unter Verwendung von Wachstumsfaktoren in einen embryonalen stammzellähnlichen Zustand umprogrammiert wurden -, da diese einem bedürftigen Patienten entnommen und zur Herstellung immunologisch angepasster Gewebe verwendet werden können.

Im Prinzip könnte der iPS-Zell-Ansatz das neue Herz mit seiner vollständigen Palette von Zelltypen versorgen, einschließlich Gefäßzellen und mehreren Sorten von Herzmuskelzellen. In der Praxis stößt es jedoch auf eigene Probleme. Eines ist die schiere Größe eines menschlichen Herzens. Die Zahlen werden ernsthaft unterschätzt, sagt Ott. „Es ist eine Sache, eine Million Zellen zu machen; eine andere, 100 Millionen oder 50 Milliarden Zellen zu machen.“ Und die Forscher wissen nicht, ob die richtigen Zelltypen wachsen werden, wenn iPS-Zellen verwendet werden, um die embryonale Entwicklung in einem erwachsenen Herzgerüst zu rekapitulieren.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

Ein dezellularisiertes menschliches Herz wartet auf den Wiederaufbau mit einer Injektion von Vorläuferzellen.

Wenn sie das Gerüst besiedeln, werden einige der unreifen Zellen Wurzeln schlagen und anfangen zu wachsen. Um sie jedoch funktionsfähig zu machen, erfordert das Schlagen von Kardiomyozyten mehr als nur sauerstoffhaltige Medien und Wachstumsfaktoren. „Zellen spüren ihre Umgebung“, sagt Angela Panoskaltsis-Mortari, die an der University of Minnesota in Minneapolis versucht hat, Lungen für Transplantationen zu bauen. „Sie spüren nicht nur die Faktoren. Sie spüren die Steifheit und die mechanische Belastung,“ die wiederum die Zellen auf ihren richtigen Entwicklungsweg treibt.

Also müssen Forscher das Herz in einen Bioreaktor stecken, der das Gefühl des Schlagens nachahmt. Die Bioreaktoren von Ott verwenden eine Kombination aus elektrischen Signalen – ähnlich einem Schrittmacher -, um die schlagenden Kardiomyozyten auf dem Gerüst zu synchronisieren, kombiniert mit physischen Schlagbewegungen, die durch eine Pumpe induziert werden (siehe ‚Angepasste Organe‘). Die Forscher stehen jedoch vor einem ständigen Kampf, um die im menschlichen Körper vorhandenen Bedingungen wie Änderungen der Herzfrequenz und des Blutdrucks oder das Vorhandensein von Medikamenten nachzuahmen. „Der Körper reagiert auf Dinge und verändert die Bedingungen so schnell, dass es wahrscheinlich unmöglich ist, das in einem Bioreaktor nachzuahmen“, sagt Badylak.

Als Taylor und Ott zum ersten Mal Bioreaktoren für dekellullarisierte und neu besiedelte Rattenherzen entwickelten, mussten sie im Laufe der Zeit lernen. „Es gab viel Klebeband im Labor“, sagt Ott. Aber schließlich konnten die Herzen nach acht bis zehn Tagen im Bioreaktor von selbst schlagen und produzierten ungefähr 2% der Pumpkapazität eines normalen erwachsenen Rattenherzs1. Taylor sagt, dass sie seitdem Herzen von Ratten und größeren Säugetieren bekommen hat, um mit bis zu 25% der normalen Kapazität zu pumpen, obwohl sie die Daten noch nicht veröffentlicht hat. Sie und Ott sind zuversichtlich, dass sie auf dem richtigen Weg sind.

The beat

Die letzte Herausforderung ist eine der schwierigsten: ein neu gewachsenes, künstlich hergestelltes Herz in ein lebendes Tier zu stecken und es lange schlagen zu lassen.

Die Integrität des Gefäßsystems ist die erste Barriere. Jedes nackte Stück Matrix dient als Nährboden für Blutgerinnsel, die für das Organ oder das Tier tödlich sein können. „Du wirst ein ziemlich intaktes Endothel brauchen, das jedes Gefäß auskleidet, oder du wirst Gerinnung oder Leckage haben“, sagt Gilbert.

Ott hat gezeigt, dass künstliche Organe eine Zeit lang überleben können. Seine Gruppe transplantierte eine einzige biotechnologisch Lunge in eine Ratte, was zeigt, dass es den Gasaustausch für das Tier unterstützen könnte, aber der Luftraum ziemlich schnell mit Flüssigkeiten gefüllt4. Und eine gentechnisch veränderte Rattennierentransplantation, von der Otts Gruppe Anfang dieses Jahres berichtete, überlebte ohne Gerinnung, hatte aber nur eine minimale Fähigkeit, Urin zu filtern, wahrscheinlich weil der Prozess nicht genug von den für die Niere benötigten Zelltypen produziert hat5 (siehe Nature http://doi.org/m2r; 2013). Otts Team und andere haben rekonstruierte Herzen in Ratten implantiert, im Allgemeinen im Nacken, im Bauch oder neben dem eigenen Herzen des Tieres. Aber obwohl die Forscher die Organe mit Blut füttern und sie für eine Weile schlagen lassen können, konnte keines der Herzen die Blutpumpfunktion unterstützen. Die Forscher müssen zeigen, dass ein Herz eine viel höhere Funktionsfähigkeit hat, bevor sie es in ein Tier transplantieren können, das größer ist als eine Ratte.

Mit dem Herzen, sagt Badylak, „muss man von dem Moment an, in dem die Transplantation stattfindet, mit etwas beginnen, das ziemlich gut funktionieren kann“. „Sie können nicht etwas haben, das nur 1 oder 2 oder 5% der Ejektionsfraktion des normalen Herzens pumpt, und erwarten, dass es einen Unterschied macht“, sagt er und bezieht sich auf ein gängiges Maß für die Pumpeffizienz. Es gibt wenig Raum für Fehler. „Wir machen nur kleine Schritte“, sagt Panoskaltsis-Mortari. „Wir sind dort, wo die Menschen vor Jahrzehnten mit Herztransplantationen waren.“

Der von Ott und anderen kultivierte Dezellularisierungsprozess beeinflusst bereits die Entwicklung verbesserter gewebebasierter Klappen und anderer Teile des Herzens und anderer Organe. Ein biotechnologisch hergestelltes Ventil kann beispielsweise länger halten als mechanische oder tote Gewebeklappen, da sie das Potenzial haben, mit einem Patienten zu wachsen und sich selbst zu reparieren. Und andere Organe müssen möglicherweise nicht vollständig ersetzt werden. „Ich wäre überrascht, wenn Sie in den nächsten 5-7 Jahren nicht sehen würden, dass dem Patienten zumindest ein Teil einer Arterie, Lungenlappen oder Leberlappen implantiert wird“, sagt Badylak.

Taylor vermutet, dass partielle Ansätze Patienten mit schweren Herzfehlern wie dem hypoplastischen Linksherzsyndrom helfen könnten, bei dem die Hälfte des Herzens stark unterentwickelt ist. Die Wiederherstellung der anderen Hälfte „zwingt Sie im Wesentlichen, die Mehrheit der Dinge zu bauen, die Sie brauchen“, sagt sie.

Und diese Bemühungen könnten Lehren für die Entwicklung von Zelltherapien für das Herz ziehen. Forscher lernen zum Beispiel, wie sich Herzzellen dreidimensional entwickeln und funktionieren. In Zukunft könnten Teilgerüste, entweder synthetisch oder aus Leichen, es neuen Zellen ermöglichen, beschädigte Bereiche von Herzen zu bevölkern und sie wie Flecken zu reparieren.

Die Gläser mit gespenstisch schwebenden Orgeln mögen wie ein grausames Echo der Frankenstein-Geschichte erscheinen, aber Taylor sagt, ihre Arbeit sei eine Liebesarbeit. „Es gibt einige Tage, an denen ich sage:’Oh mein Gott, worauf bin ich reingekommen? Auf der anderen Seite braucht es nur ein Kind, das dich anruft und sagt: Kannst du meiner Mutter helfen? und es macht alles lohnenswert.“