Das Herz schlägt nicht einfach von selbst – seine Arbeit wird von einem winzigen Zellhaufen im rechten Vorhof gesteuert, dem sogenannten Sinusknoten. Er erzeugt elektrische Impulse, die das Organ dazu veranlassen, in einem fest vorgegebenen Takt zu kontrahieren. Wenn dieser Knoten ausfällt, leiden Betroffene unter lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen. Bisher galt ein metallischer Herzschrittmacher als die einzige verlässliche Rettung. Doch ließe sich dieser komplexe Mechanismus aus lebenden Zellen nachbilden?
Ein Forschungsteam des Shanghaier Instituts für Biochemie und Zellbiologie ist diesem Ziel nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen. Unter Verwendung menschlicher pluripotenter Stammzellen züchteten die Wissenschaftler erstmals in einer Petrischale nicht bloß pulsierendes Gewebe, sondern ein vollständiges dreidimensionales Organoid des Sinusknotens. Die im Fachjournal Cell Stem Cell veröffentlichten Ergebnisse beschreiben die Entwicklung eines sogenannten biologischen Herzschrittmachers.
Die größte Herausforderung bestand dabei nicht darin, die Zellen zum Schlagen zu bringen. Wie bringt man sie dazu, auf die Befehle des Nervensystems zu hören? Im lebenden Organismus wird die Herzfrequenz fortlaufend durch Signale aus dem Gehirn angepasst. Um diesen Vorgang zu simulieren, kombinierten die Biologen aus Shanghai das Schrittmacher-Organoid mit einem gezüchteten, nervenreichen Gangliengeflecht.
Der Versuch war erfolgreich: Die Nervenfasern wuchsen eigenständig in den künstlichen Knoten ein und begannen, dessen Schlagfrequenz über molekulare Signale zu steuern, wobei sie den natürlichen Mechanismus exakt kopierten.
Warum war eine derart präzise Konstruktion notwendig? Die Untersuchung von Rhythmusstörungen an Mäusen ist wenig effektiv, da deren Herzen zu schnell schlagen, während Proben eines lebenden menschlichen Sinusknotens aus offensichtlichen Gründen fast unmöglich zu gewinnen sind. Das neue Dreikomponentenmodell aus „Nerv, Knoten und Vorhof“ ermöglichte es den Forschern, genetisch bedingte Arrhythmien direkt im Labor nachzustellen. Nach dem Einfügen einer gezielten Mutation beobachteten sie eine Verlangsamung des Rhythmus und testeten anschließend erfolgreich Kaliumkanalblocker, die den Puls wieder normalisierten.
Bedeutet dies, dass die Ära der Titan-Geräte unter der Haut zu Ende geht? Vorerst noch nicht. Bevor solche biologischen Konstruktionen echten Patienten implantiert werden können, müssen zahlreiche Sicherheitsfragen geklärt werden – von der langfristigen Lebensfähigkeit der Zellen bis hin zum Schutz vor Abstoßungsreaktionen. Dennoch ist der technologische Grundstein gelegt. Die entwickelte Plattform erlaubt es Pharmazeuten schon jetzt, neue Medikamente gegen Arrhythmien an authentischem menschlichem Gewebe zu testen, was die personalisierte Medizin der Zukunft ein großes Stück näher rückt.
