Ein Miniaturherz in einer Petrischale: Organoid ahmt die Entwicklung des menschlichen Herzens nach
Datum: April 4, 2023
Quelle:Technische Universität München (TUM)
Zusammenfassung: Ein Team hat Stammzellen dazu gebracht, die Entwicklung des menschlichen Herzens nachzuahmen. Das Ergebnis ist eine Art „Mini-Herz“, das als Organoid bekannt ist. Es wird die Untersuchung der frühesten Entwicklungsphase unseres Herzens ermöglichen und die Erforschung von Krankheiten erleichtern.
Miniaturherz in Petrischale Stammzellen News:
Ein Team der Technischen Universität München (TUM) hat Stammzellen dazu gebracht, die Entwicklung des menschlichen Herzens nachzuahmen. Das Ergebnis ist eine Art „Mini-Herz“, das als Organoid bekannt ist. Es wird die Erforschung der frühesten Entwicklungsphase unseres Herzens ermöglichen und die Erforschung von Krankheiten erleichtern.
Das menschliche Herz beginnt sich ungefähr drei Wochen nach der Empfängnis zu bilden. Damit liegt die frühe Phase der Herzentwicklung in einer Zeit, in der Frauen sich ihrer Schwangerschaft oft noch nicht bewusst sind. 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 Forschern dabei helfen.
Eine Kugel aus 35,000 Zellen
Das Team um Alessandra Moretti, Professorin für Regenerative Medizin bei 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 festgelegten Protokoll verschiedene Signalmoleküle zugesetzt. „Damit ahmen wir die Signalwege im Körper nach, die das Entwicklungsprogramm für das Herz steuern“, erklärt Alessandra Moretti. Die Gruppe hat ihre Arbeit jetzt in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology veröffentlicht.
Die allerersten „Epikardioide“
Die resultierenden 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 ihrem Team ist es weltweit als erstem Forscher gelungen, ein Organoid herzustellen, das sowohl Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) als auch Zellen der äußeren Schicht der Herzwand (Epikard) enthält. In der jungen Geschichte der Herzorganoide – die ersten wurden 2021 beschrieben – hatten Forscher zuvor nur Organoide mit Kardiomyozyten und Zellen aus der inneren Schicht der Herzwand (Endokard) hergestellt.
„Um zu verstehen, wie das Herz aufgebaut ist, sind Epikardzellen entscheidend“, sagt Dr. Anna Meier, Erstautorin der Studie. „Aus diesen Zellen werden andere Zelltypen im Herzen gebildet, zum Beispiel in Bindegeweben und Blutgefäßen. Das Epikard spielt auch eine sehr wichtige Rolle bei der Bildung der Herzkammern.“ Das Team hat die neuen Organoide passend „Epikardioide“ genannt.
Neuer Zelltyp entdeckt
Neben der Methode zur Herstellung der Organoide hat das Team erste neue Entdeckungen gemeldet. Durch die Analyse einzelner Zellen haben sie festgestellt, dass sich etwa am siebten Tag der Entwicklung des Organoids Vorläuferzellen bilden, wie sie erst kürzlich bei Mäusen entdeckt wurden. Aus diesen Zellen wird das Epikard gebildet. „Wir gehen davon aus, dass diese Zellen auch im menschlichen Körper existieren – wenn auch nur für wenige Tage“, sagt Prof. Moretti.
Diese Erkenntnisse könnten auch Hinweise darauf liefern, warum sich das fetale Herz selbst reparieren kann, eine Fähigkeit, die dem Herzen eines erwachsenen Menschen fast vollständig fehlt. Dieses Wissen könnte helfen, neue Behandlungsmethoden für Herzinfarkte und andere Erkrankungen zu finden.
Herstellung „personalisierter Organoide“
Das Team zeigte auch, dass die Organoide verwendet werden können, um die Krankheiten einzelner Patienten zu untersuchen. Unter Verwendung pluripotenter Stammzellen eines Patienten, der am Noonan-Syndrom litt, stellten die Forscher in einer Petrischale Organoide her, die Merkmale der Krankheit nachahmten. In den kommenden Monaten plant das Team, mit vergleichbaren personalisierten Organoiden weitere angeborene Herzfehler zu untersuchen.
Mit der Möglichkeit, Herzerkrankungen in Organoiden zu emulieren, könnten in Zukunft Medikamente direkt an ihnen getestet werden. „Es ist denkbar, dass solche Tests die Notwendigkeit von Tierversuchen bei der Entwicklung von Medikamenten reduzieren könnten“, sagt Alessandra Moretti.
Die Organoidforschung ist ein zentrales Forschungsgebiet der TUM
Die Forscher haben ein internationales Patent für das Verfahren zur Herstellung von Herz-Organoiden angemeldet. Das Epicardioid-Modell ist eines von mehreren Organoid-Projekten an der TUM. Am Zentrum für Organoide Systeme werden Arbeitsgruppen verschiedener Abteilungen und Lehrstühle zusammenarbeiten. Sie werden mit modernster Bildgebung und Zellanalyse interdisziplinäre Untersuchungen an Organoiden der Bauchspeicheldrüse, des Gehirns und des Herzens durchführen, um die Entstehung von Organen, Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen zu untersuchen und mit menschlichen 3D-Systemen Fortschritte für die Medizin zu erzielen.
