Ein Team von Biomedizintechnikern hat einen voll funktionsfähigen künstlichen menschlichen Herzmuskel entwickelt, der als Pflaster verwendet werden kann, um abgestorbene Herzmuskeln zu reparieren.
Die Biomedizintechniker der Duke University haben das Pflaster entwickelt, um es bei menschlichen Patienten zu verwenden, die zuvor einen Herzinfarkt erlitten haben.
„Derzeit zielen praktisch alle existierenden Therapien darauf ab, die Symptome der bereits eingetretenen Schädigung des Herzens zu lindern, aber keine Ansätze waren in der Lage, den verlorenen Muskel zu ersetzen, denn wenn er einmal abgestorben ist, wächst er nicht mehr von selbst nach“, sagte Ilia Shadrin, Doktorand der Biomedizintechnik an der Duke University und Erstautor der Studie, in einer Presseerklärung. „
Nach einem Herzinfarkt ist das Herz nicht in der Lage, sich selbst zu regenerieren. Narbengewebe ersetzt den abgestorbenen Muskel, und die elektrischen Signale werden nicht mehr an die Kontrahenten weitergeleitet, was bedeutet, dass der Herzschlag nicht mehr so stark und gleichmäßig ist wie vor dem Herzinfarkt.
Wenn das Herz nicht in der Lage ist, sich selbst zu regenerieren, kommt es zur Herzinsuffizienz. Nach Angaben der CDC leiden etwa 5,7 Millionen Amerikaner an einer Herzinsuffizienz. Fast die Hälfte der Menschen, bei denen eine Herzinsuffizienz diagnostiziert wird, stirbt innerhalb von fünf Jahren.
Forscher haben die Verwendung von Stammzellen aus dem Knochenmark, Blut oder dem Herzen getestet, die in den geschädigten Bereich implantiert werden, um den geschädigten Muskel wieder aufzufüllen. Allerdings sind weniger als 1 % der injizierten Zellen in der Lage, zu überleben und im Herzen zu verbleiben, und eine noch geringere Menge wird zu Herzmuskelzellen.
Herzpflaster, die über abgestorbene Herzmuskeln implantiert werden, sind in der Lage, über einen längeren Zeitraum aktiv zu bleiben und dem Herzen die Kraft zu geben, die es braucht, damit sich elektrische Signale durch das Herz bewegen können. Die Pflaster sind auch in der Lage, Enzyme und Wachstumsfaktoren abzusondern, die geschädigtem, aber noch nicht abgestorbenem Gewebe helfen.
Das von der Duke University entwickelte Herzpflaster ist das erste künstliche Herzmuskelpflaster, das sowohl groß genug ist, um den geschädigten Bereich abzudecken, als auch stark und elektrisch aktiv genug, um eine Option für die Reparatur abgestorbener Herzmuskelzellen zu sein.
„Die Herstellung einzelner Herzmuskelzellen ist ziemlich alltäglich, aber man hat sich auf die Züchtung von Miniaturgeweben für die Arzneimittelentwicklung konzentriert“, sagte Nenad Bursac, Professor für biomedizinische Technik an der Duke University. „
Die Zellen werden aus menschlichen pluripotenten Stammzellen gezüchtet, die sich in jeden Zelltyp im Körper verwandeln können. Herzzellen können aus Kardiomyozyten, Fibroblasten, Endothelzellen und glatten Muskelzellen gezüchtet werden. Die richtige Kombination von Zellen, Stützstrukturen, Wachstumsfaktoren, Nährstoffen und Kulturbedingungen kann die richtige Umgebung schaffen, um große, voll funktionsfähige menschliche Herzgewebepatches zu züchten, ein Prozess, an dem das Forschungsteam seit Jahren arbeitet.
„Es hat sich herausgestellt, dass es extrem wichtig ist, die Proben zu schaukeln, um sie zu baden und zu bespritzen, um die Nährstoffzufuhr zu verbessern“, sagte Shadrin. „
Die Ergebnisse waren besser als bei anderen 1 cm² und 4 cm² großen Pflastern, die sie zuvor entwickelt hatten. Nachdem sie die Pflaster auf 16 cm² vergrößert und mit fünf bis acht Zellen versehen hatten, zeigte sich, dass der Herzmuskel voll funktionsfähig war und elektrische, mechanische und strukturelle Eigenschaften aufwies, die ein normales, gesundes Herz imitierten.
„Das ist extrem schwierig, denn je größer das gezüchtete Gewebe ist, desto schwieriger ist es, überall die gleichen Eigenschaften beizubehalten“, sagte Bursac. „
Die Herzpflaster wurden in Mäuse- und Rattenherzen getestet und konnten überleben, vaskularisiert werden und nach der Implantation funktionsfähig bleiben. Die Forscher vermuten, dass das Herzpflaster dicker sein müsste als das, was sie entwickelt haben, damit es ein brauchbarer Ersatz für toten Herzmuskel bei menschlichen Patienten sein kann. Die Pflaster müssen vaskularisiert werden, damit die Zellen genügend Sauerstoff und Nährstoffe erhalten können, um dick genug zu sein, um als Herzmuskel im menschlichen Herzen zu funktionieren.
„Eine solche vollständige Integration ist wirklich wichtig, nicht nur, um die mechanische Pumpleistung des Herzens zu verbessern, sondern auch, um die reibungslose Ausbreitung elektrischer Wellen zu gewährleisten und das Risiko von Arrhythmien zu minimieren“, sagte Shadrin.
„Wir arbeiten aktiv daran, wie andere auch, aber im Moment sind wir begeistert, dass wir den Teil, bei dem es auf die Größe ankommt, herausgefunden haben“, sagte Bursac.
Sharon und Bursac planen, die Pflaster mit Hilfe von Forschern der University of Alabama in Schweineherzen zu integrieren, während Forscher der University of Wisconsin-Madison an der Entwicklung verbesserter Stammzellen arbeiten werden, um die wichtigsten Zelltypen zu schaffen, aus denen die Herzpflaster bestehen, um die Immunreaktion bei Implantaten zu minimieren.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht und von den National Institutes of Health finanziert.