Dienstag, 28. Mai 2024
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Medizin

Erforschung von Herzerkrankungen mit Organoiden

Erforschung von Herzerkrankungen mit Organoiden
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Etwa 3 Wochen nach der Empfängnis beginnt das menschliche Herz sich zu formen. Damit liegt die frühe Phase der Herzentwicklung in einer Zeit, in der viele Schwangerschaften noch unbemerkt bleiben. Auch deshalb sind viele Details der Herzbildung unbekannt. Untersuchungen an Tieren lassen sich ebenfalls nur bedingt auf Menschen übertragen. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) hat Stammzellen angeregt, die Entstehung des menschlichen Herzens nachzubilden. Das Ergebnis ist ein Organoid, eine Art Miniatur-Herz. Damit lassen sich die früheste Phase der Entstehung unseres Herzens studieren und Erkrankungen erforschen.

Organoid aus 35.000 pluripotenten Stammzellen

Das Team um Alessandra Moretti, Professorin für Regenerative Medizin kardiovaskulärer 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 verdichtet. Über mehrere Wochen werden der Zellkultur dann nach einem festen Protokoll immer wieder neue Signalmoleküle zugesetzt. „Wir imitieren so die Signalwege im Körper, die das entwicklungsbiologische Programm des Herzens steuern“, erläutert Alessandra Moretti. Das Team stellt das Verfahren in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Biotechnology vor (1).

Erstmalige Entwicklung von Organoiden mit Kardiomyozyten und Epikard-Zellen

Die Organoide, die so entstehen, haben einen Durchmesser von etwa einem halben Millimeter. Blut pumpen können sie nicht. Sie sind aber elektrisch erregbar und in der Lage wie menschliche Herzkammern zu kontrahieren. Dem Team um Prof. Moretti ist es weltweit erstmals gelungen, in einem Organoid Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) und Zellen der Außenschicht der Herzwand (Epikard) entstehen zu lassen. In der jungen Geschichte der Herz-Organoide – die ersten wurden 2021 beschrieben – konnten bislang nur solche mit Herzmuskelzellen und Zellen der Herzinnenhaut (Endokard) hergestellt werden.

Epikard-Zellen sind wichtig für das Verständnis der Entstehung des Herzens

„Um die Entstehung des Herzens zu verstehen, sind Epikard-Zellen entscheidend“, sagt Dr. Anna Meier, Erstautorin der Studie. „Aus diesen Zellen entwickeln sich weitere Zelltypen des Herzens, zum Beispiel Zellen des Bindegewebes und der Blutgefäße. Das Epikard spielt auch für die Bildung der Herzkammern eine sehr wichtige Rolle.“ Die neuen Organoide hat das Team dementsprechend „Epicardioids“ getauft.
 
 

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Epikard-Zellen bilden sich aus bisher unbekannten Vorläuferzellen

Neben der Methode zur Herstellung der Organoide schildern die Forschenden erste neue Erkenntnisse. Durch Einzelzellanalysen haben sie herausgefunden, dass sich ungefähr an Tag 7 der Entwicklung des Organoids Vorläuferzellen bilden, die erst kürzlich in Mäusen entdeckt wurden. Aus diesen Zellen bilden sich die Epikard-Zellen. „Wir gehen davon aus, dass es diese Zellen auch im menschlichen Körper gibt – wenn auch nur für wenige Tage“, sagt Alessandra Moretti. Möglicherweise liefern diese Erkenntnisse auch Anhaltspunkte dafür, warum das fetale Herz sich selbständig reparieren kann. Das Herz eines erwachsenen Menschen ist dazu fast gar nicht in der Lage. Dieses Wissen könnte dazu beitragen, neue Behandlungsmethoden für Herzinfarkte und andere Erkrankungen zu finden.

Mit Organoiden aus Stammzellen von Herz-Patient:innen lassen sich Erkrankungen studieren

Das Team konnte darüber hinaus zeigen, dass sich anhand der Organoide auch Erkrankungen individueller Patient:innen untersuchen lassen. Aus pluripotenten Stammzellen eines Menschen, der an dem Noonan-Syndrom erkrankt ist, erzeugten die Forschenden Organoide, die Merkmale der Erkankung in der Kulturschale spiegelten. In den kommenden Monaten will das Team weitere angeborene Fehlbildungen des Herzens anhand solcher personalisierter Organoide untersuchen.

Organoid-Verwendung könnte die Zahl nötiger Tierversuche reduzieren

Durch die Möglichkeit Erkrankungen des Herzens in Organoiden abzubilden, könnten Wirkstoffe in Zukunft direkt an diesen getestet werden. „Durch solche Tests könne man perspektivisch die Zahl der notwendigen Tierversuche bei der Entwicklung eines Medikaments reduzieren“, sagt Alessandra Moretti.

Organoid-Forschung ist Schwerpunkt an der TUM

Für das Verfahren zur Herstellung der Herz-Organoide haben die Forschenden eine internationale Patentanmeldung eingereicht. Das Epicardioid-Modell ist eines von mehreren Projekten zu Organoiden an der TUM. Am Center for Organoid Systems werden künftig Arbeitsgruppen aus diversen Fachbereichen gemeinsam forschen. Interdisziplinär werden sie hier an Bauchspeicheldrüsen-, Gehirn- und Herzorganoiden mit modernsten Methoden der Bildgebung und Einzelzellanalyse in Bereichen der Organentstehung, des Krebs und der Neurodegeneration arbeiten, um Fortschritt mit menschlichen 3D-Systemen für die Medizin zu erzielen.

Quelle: Technische Universität München

Literatur:

(1) A.B. Meier et al. Epicardioid single-cell genomics uncovers principles of human epicardium biology in heart development and disease, Nature Biotechnology (2023).



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