Schweizer lassen per Spraydose Herzmuskeln wachsen
Das klingt mehr als skurril: Schweizer Forscher haben Zellen in eine Spraydose gestopft und damit ein Kunstherz besprüht. Was passiert? Auf dem Herz wachsen richtige Muskelzellen. Das ist sehr gut gegen die Abstoßung durch die Immunabwehr, wenn es sich um eigene Körperzellen handelt.
Der Natur nachgeahmt: Ein Geflecht aus Muskelfasern wächst auf einem Gerüst auf gesponnenem Kunststoff. Unter dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop erscheinen Muskelfasern rot und Zellkerne blau.
Foto: Lukas Weidenbacher/EMPA
Die Forscher des Schweizer Forschungsinstituts Empa in Zürich könnten mit ihrer Erfindung vielen Menschen grausame Abstoßungsreaktionen und damit viel Leid ersparen. Ihre Idee: Menschen, die ein neues Herz benötigen, erhalten künftig ein künstliches Organ, das innen und außen mit Gewebe des Patienten beschichtet ist. Dieses individuell gestaltete Herz löst keinerlei Abstoßungsreaktionen mehr aus.
Außerdem ist die Bildung von Blutgerinnseln unmöglich, die Infarkte auslösen. Auf dem Weg zum Bau eines solchen Herzens sind Schweizer Wissenschaftler jetzt einen großen Schritt vorangekommen. Mit einem Verfahren namens Elektrospinning haben sie die Bildung von dreidimensionalen Muskelzellen ausgelöst.
So funktioniert das neue Verfahren zur Herstellung von Muskelfasern: Die Zellen des jeweiligen Patienten werden in von Gelatine umgeben und dann in mehreren Schichten über ein gesponnenes Polymergerüst gesprüht. Dort löst sich die gallertartige Beschichtung ab, die Zellen verbinden sich und wachsen zu richtigem Muskelgewebe.
Quelle: EMPA
Muskelfasern halten das Herz fit
Das künstliche Organ ist Ziel des Projekts „Zurich Heart“ des Forschungsverbundes Hochschulmedizin Zürich, dessen Partner die Empa ist, die Materialforschungsanstalt der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich. „Das menschliche Herz ist natürlicherweise aus mehreren Lagen unterschiedlicher Gewebe aufgebaut“, erklärt Lukas Weidenbacher von der Empa-Abteilung Biomimetic Membranes and Textiles in St. Gallen. Ein Teil besteht aus Muskelfasern, die dafür sorgen, dass ein natürliches Herz so flexibel ist, dass es ohne entscheidend zu ermüden jahrzehntelang schlägt. Damit sind sie auch für ein Kunstherz wichtig.
Gelatine schützt vor aggressiven Lösungsmitteln
Diese Fasern aus Muskelzellen zu züchten ist kein Problem. Sie zu einem dreidimensionalen Gebilde heranwachsen zu lassen schon. Dazu müssen die Zellen, aus denen sich Muskelfasern entwickeln, in ein Gerüst eingebracht werden. Das Gerüst lässt sich aus extrem feinen Kunststofffäden errichten. Diese werden mit einer elektrischen Spannung geführt – mechanisch lässt sich das nicht machen, weil sie zu filigran sind.
In diesem Gespinst lassen sich Zellen zwar unterbringen. Sie leiden jedoch unter den verwendeten Lösungsmitteln, sodass sie sich nicht zu gesundem Muskelgewebe entwickeln können. Weidenbacher und sein Team packten jeweils zwei Zellen in Gelatine, die gegen die verwendeten Lösungsmittel immun macht. Die winzigen Kügelchen werden mit einem spannungsbasierten Verfahren, dem Elektrospraying, in das Gerüst hineinkatapultiert.
Bereits nach sieben Tagen verschmelzen die Zellen im Gerüst (weiss) miteinander und entwickeln sich zu länglichen Muskelfasern (gelb), wie diese eingefärbte elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt.
Quelle: Lukas Weidenbacher/EMPA
Einfach ausgedrückt: Die Zellen werden wie mit einer Spraydose auf das Gerüst gesprayt. „Das Sprayen überstehen die derart geschützten Zellen sehr gut“, sagt Weidenbacher. Am Ziel angekommen löst sich die Gelatine innerhalb von wenigen Minuten auf.
Erfolgreiche Versuche mit Mäusezellen
Jetzt beginnen die Zellen zu wachsen. Sie suchen den Kontakt zu den Nachbarn, sodass längliche Muskelfasern entstehen, und zwar viele Lagen dick. Dieses Wachstum machten die Forscher unter dem Mikroskop sichtbar. Es entsteht Muskelgewebe, das dem natürlichen verblüffend ähnlich ist. „Da das künstliche Herz permanent vom Blutkreislauf durchspült wird, ist es wichtig, dass die Oberflächen so gestaltet ist, dass sich keine Gerinnsel bilden“, sagt Weidenbacher.
Für ihre Versuche setzten die Forscher Zellen von Mäusen ein. Das so gebildete Muskelgewebe ist natürlich für die Beschichtung von Kunstherzen für Menschen unbrauchbar. Allerdings wurde so der Beweis erbracht, dass das Verfahren funktioniert. Mit menschlichen Zellen geht es auch. Die Beschichtung des Kunstherzens gleicht einer biologischen Tarnkappe. Die eigene Immunabwehr erkennt den Fremdling nicht, sodass es keine Abwehrreaktion gibt. Wann das Herz einsatzbereit ist, ist noch offen.
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