Ein Team an der Technischen Universität München (TUM) hat Stammzellen dazu gebracht, die Entwicklung des menschlichen Herzens nachzuahmen. Das Ergebnis ist eine Art „Mini-Herz“, ein sogenanntes Organoid. Es wird das Studium der frühesten Entwicklungsphase unseres Herzens ermöglichen und die Erforschung von Krankheiten erleichtern.
Das menschliche Herz beginnt sich etwa drei Wochen nach der Empfängnis zu bilden. Damit fällt die frühe Phase der Herzentwicklung in eine Zeit, in der Frauen oft noch nichts von ihrer Schwangerschaft wissen. Das ist ein Grund, warum wir über viele Details der Herzbildung noch wenig wissen. Erkenntnisse aus Tierversuchen sind nicht vollständig auf den Menschen übertragbar. Ein an der TUM entwickeltes Organoid könnte den Forschern dabei helfen.
Ein Knäuel aus 35.000 Zellen
Das Team um Alessandra Moretti, Professorin für Regenerative Medizin im Bereich Herz-Kreislauf-Erkrankungen, hat eine Methode entwickelt, um aus pluripotenten Stammzellen eine Art „Mini-Herz“ herzustellen. Rund 35.000 Zellen werden in einer Zentrifuge zu einer Kugel geschleudert. Über einen Zeitraum von mehreren Wochen werden der Zellkultur nach einem festen Protokoll verschiedene Signalmoleküle zugesetzt. „Auf diese Weise ahmen wir die Signalwege im Körper nach, die das Entwicklungsprogramm für das Herz steuern“, erklärt Alessandra Moretti. Die Gruppe hat ihre Arbeit nun in der Zeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht.
Die ersten „Epicardioide“ überhaupt
Die entstandenen Organoide haben einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter. Obwohl sie kein Blut pumpen, können sie elektrisch stimuliert werden und sind in der Lage, sich wie menschliche Herzkammern zusammenzuziehen. Prof. Moretti und ihr Team sind die ersten Forscher weltweit, denen es gelungen ist, ein Organoid herzustellen, das sowohl Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) als auch Zellen der äußeren Schicht der Herzwand (Epikard) enthält. In der noch jungen Geschichte der Herzorganoide – die ersten wurden 2021 beschrieben – hatten Forscher bisher nur Organoide mit Kardiomyozyten und Zellen aus der inneren Schicht der Herzwand (Endokard) geschaffen.
„Um zu verstehen, wie sich das Herz bildet, sind Epikardzellen entscheidend“, sagt Dr. Anna Meier, Erstautorin der Studie. „Andere Zelltypen im Herzen, zum Beispiel im Bindegewebe und in den Blutgefäßen, werden aus diesen Zellen gebildet. Auch bei der Bildung der Herzkammern spielt das Epikard eine sehr wichtige Rolle.“ Das Team hat die neuen Organoide passenderweise „Epikardioide“ genannt.
Neuer Zelltyp entdeckt
Neben der Methode zur Herstellung der Organoide hat das Team auch seine ersten neuen Entdeckungen gemacht. Durch die Analyse einzelner Zellen haben sie festgestellt, dass Vorläuferzellen eines erst kürzlich bei Mäusen entdeckten Typs etwa am siebten Tag der Organoidentwicklung gebildet werden. Aus diesen Zellen wird das Epikard gebildet. „Wir gehen davon aus, dass diese Zellen auch im menschlichen Körper existieren – wenn auch nur für ein paar Tage“, sagt Prof. Moretti.
Diese Erkenntnisse könnten auch Aufschluss darüber geben, warum das fötale Herz sich selbst reparieren kann, eine Fähigkeit, die im Herzen eines erwachsenen Menschen fast völlig fehlt. Dieses Wissen könnte dazu beitragen, neue Behandlungsmethoden für Herzinfarkte und andere Erkrankungen zu finden.
Herstellung von „personalisierten Organoiden“
Das Team zeigte auch, dass die Organoide zur Untersuchung der Krankheiten einzelner Patienten verwendet werden können. Mit pluripotenten Stammzellen eines Patienten, der am Noonan-Syndrom leidet, produzierten die Forscher Organoide, die die Merkmale der Krankheit in einer Petrischale nachahmen. In den kommenden Monaten plant das Team, vergleichbare personalisierte Organoide zu verwenden, um andere angeborene Herzfehler zu untersuchen.
Mit der Möglichkeit, Herzerkrankungen in Organoiden nachzubilden, könnten in Zukunft Medikamente direkt an ihnen getestet werden. „Es ist denkbar, dass solche Tests die Notwendigkeit von Tierversuchen bei der Entwicklung von Medikamenten verringern könnten“, sagt Alessandra Moretti.
Organoidforschung ist ein Forschungsschwerpunkt der TUM
Für das Verfahren zur Herstellung von Herzorganoiden haben die Forscher ein internationales Patent angemeldet. Das Epicardioid-Modell ist eines von mehreren Organoid-Projekten an der TUM. Im Zentrum für Organoide Systeme werden Arbeitsgruppen aus verschiedenen Abteilungen und Lehrstühlen zusammenarbeiten. Sie erforschen interdisziplinär Bauchspeicheldrüsen-, Hirn- und Herzorganoide mit modernster Bildgebung und zellulärer Analyse, um die Entstehung von Organen, Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen zu untersuchen und mit menschlichen 3D-Systemen Fortschritte für die Medizin zu erzielen.
