Biologe Sasha Mendjan von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien und sein Team haben menschliche pluripotente Stammzellen verwendet, um sesamsamengroße Herzmodelle, sogenannte Kardioiden, zu züchten, die sich spontan selbst organisieren, um eine Hohlkammer ohne die zu entwickeln Bedarf an experimentellen Gerüsten. Dieser Fortschritt, der die Herstellung einiger der bisher realistischsten Herz-Organoide ermöglicht, erscheint am 20. Mai in der Zeitschrift Cell.
Früher haben Wissenschaftler 3D-Herz-Organoide durch Gewebezüchtung gebaut, ein Ansatz, der im Allgemeinen das Zusammenbauen von Zellen und Gerüsten beinh altet, als würde man ein Haus aus Ziegeln und Mörtel bauen. Aber diese manipulierten Organoide haben nicht die gleichen physiologischen Reaktionen auf Schäden wie menschliche Herzen und eignen sich daher oft nicht als gute Krankheitsmodelle.
"Tissue Engineering ist für viele Dinge sehr nützlich, zum Beispiel wenn man Kontraktionsmessungen durchführen will", sagt Mendjan. Aber in der Natur sind die Organe nicht so gebaut. Im Embryo entwickeln sich Organe spontan durch einen Prozess, der als Selbstorganisation bezeichnet wird. Während der Entwicklung interagieren die Zellbausteine miteinander, bewegen sich und verändern ihre Form, während die Struktur eines Organs entsteht und wächst.
"Selbstorganisation ist, wie die Natur Schneeflockenkristalle oder Vögel dazu bringt, sich in einem Schwarm zu verh alten. Das ist schwer zu konstruieren, weil es keinen Plan zu geben scheint, aber trotzdem etwas sehr Geordnetes und Robustes herauskommt", sagt er. „Die Selbstorganisation der Organe ist viel dynamischer, und vieles passiert, was wir nicht verstehen. Wir denken, dass diese ‚versteckte Magie‘der Entwicklung, das Zeug, von dem wir noch nichts wissen, der Grund für aktuelle Krankheiten ist.“sind nicht sehr gut modelliert."
Mendjan und sein Team wollten die Entwicklung durch Selbstorganisation in einem Gericht nachahmen. Sie brachten Stammzellen dazu, sich selbst zu organisieren, indem sie alle sechs bekannten Signalwege, die an der embryonalen Herzentwicklung beteiligt sind, in einer bestimmten Reihenfolge aktivierten. Als sich die Zellen differenzierten, begannen sie, separate Schichten zu bilden, ähnlich der Struktur der Herzwand. Nach einer Woche Entwicklung organisierten sich diese Organoide selbst zu einer 3D-Struktur, die einen geschlossenen Hohlraum hatte, eine ähnliche spontane Wachstumsbahn wie menschliche Herzen. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass sich das wandartige Gewebe der Nieren rhythmisch zusammenzog, um Flüssigkeit in den Hohlraum zu drücken.
"Es ist nicht so, dass wir etwas anderes verwenden als andere Forscher, aber wir verwenden einfach alle bekannten Signale", sagt Mendjan. Er fügt hinzu, dass nicht alle Wege benötigt werden, um Stammzellen dazu zu bringen, zu Herzzellen zu werden. "Also dachten sie: 'Okay, sie sind in vitro nicht wirklich notwendig.' Aber es stellt sich heraus, dass all diese Wege notwendig sind. Sie sind wichtig, damit sich die Zellen selbst zu einem Organ organisieren."
Das Team testete auch, wie die Nieren auf Gewebeschäden reagieren. Sie verwendeten einen k alten Stahlstab, um Teile der Miniherzen einzufrieren, und töteten viele Zellen an der Stelle. Der Zelltod wird häufig nach Verletzungen wie einem Herzinfarkt beobachtet. Sofort sah das Team, dass kardiale Fibroblasten – ein Zelltyp, der für die Wundheilung verantwortlich ist – begannen, zu den Verletzungsstellen zu wandern und Proteine zu produzieren, um den Schaden zu reparieren.
"Wir wollen menschliche Herzmodelle entwickeln, die sich natürlicher entwickeln und daher Krankheiten vorhersagen", sagt Mendjan. „Auf diese Weise werden Unternehmen offener dafür sein, mehr Medikamente in die klinischen Studien einzubringen, da sie sich des Ergebnisses der Studie viel sicherer sind.“
Das Team plant, Herz-Organoide mit mehreren Kammern zu züchten, wie man sie in einem echten menschlichen Herzen sieht. Viele angeborene Herzerkrankungen treten auf, wenn sich andere Kammern zu bilden beginnen, daher würde das Mehrkammermodell Ärzten helfen, besser zu verstehen, wie sich Defekte bei Föten entwickeln.
