Ein sich selbst organisiertes Herz in Sesamgröße. Diese Innovation hat ein Wissenschafterteam um den Biologen Sasha Mendjan vom Institut für Molekulare Biotechnologie (Imba) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hervorgebracht. Aus menschlichen pluripotenten Stammzellen haben die Forscher sogenannte Kardioide gezüchtet. Dieser Fortschritt, der die Schaffung einiger der bislang realistischsten Herzorganoide ermöglicht, wird im Fachblatt "Cell" vorgestellt.

Bisherige 3D-Herzmodelle in Miniformat wurden mittels Tissue Engineering hergestellt. Bei diesem Ansatz werden die Modelle ähnlich einem Haus gebaut. Anstelle von Ziegeln und Mörtel kommen allerdings Zellen und Gerüste zum Einsatz. Diese konstruierten Organoide reagieren allerdings nicht auf physiologische Schäden wie das menschliche Herz und dienen daher häufig auch nicht als gute Krankheitsmodelle.

"Tissue Engineering ist für vieles sehr nützlich, etwa wenn Sie Messungen zur Kontraktion durchführen wollen", beschreibt Mendjan in der Publikation. Doch in der Natur sind die Organe nicht so gebaut. Denn im Embryo entwickeln sie sich spontan durch einen Prozess, der als Selbstorganisation bezeichnet wird. Während der Entwicklung interagieren die zellulären Bausteine miteinander, bewegen sich und verändern ihre Form, wenn die Struktur eines Organs entsteht und wächst.

Wie ein Schneeflockenkristall

"Selbstorganisation ist die Art und Weise, wie die Natur Schneeflockenkristalle baut oder sich Vögel in einer Schar verhalten. Das ist schwierig zu konstruieren, weil es keinen Plan zu geben scheint, aber dennoch etwas sehr Geordnetes und Robustes dabei herauskommt", so der Wissenschafter. "Die Selbstorganisation von Organen ist viel dynamischer, und des gibt eine Menge Dinge, die wir nicht verstehen."

Mendjan wollte die Entwicklung durch Selbstorganisation nachahmen. Dazu überzeugten sie Stammzellen, sich selbst zu organisieren, indem sie alle sechs bekannten Signalwege, die an der Entwicklung des embryonalen Herzens beteiligt sind, in einer bestimmten Reihenfolge aktivierten. In Folge begannen die Zellen, sich zu differenzieren und separate Schichten zu bilden - ähnlicher der Struktur der Herzwand.

Etwa nach einer Woche Entwicklungszeit organisierten sich diese Organoide selbst zu einer 3D-Struktur mit einem geschlossenen Hohlraum, einem ähnlichen spontanen Wachstumspfad wie ein menschliches Herz. Zudem stellte das Forscherteam fest, dass sich das wandähnliche Gewebe der Kardioide rhythmisch zusammenzog, um Flüssigkeit im Inneren des Hohlraums zusammenzudrücken.

Mehrere Kammern als Ziel

Die Wissenschafter testeten auch, wie die Kardioide auf Gewebeschäden reagieren und benutzten einen kalten Metallstab, um Teile der Miniherzen einzufrieren. Dabei töteten sie viele Zellen an einer Stelle. Häufig wird Zelltod nach Verletzungen wie etwa durch einen Herzinfarkt beobachtet. Die Forscher konnten beobachten, wie Herzfibroblasten - eine Zellart, die für die Wundheilung verantwortlich ist - zu den verletzten Stellen wanderten und Proteine produzierten, um den Schaden wieder zu reparieren.

"Wir wollen menschliche Herzmodelle hervorbringen, die sich natürlicher entwickeln", betont Mendjan. Sie wären dann auch für Medikamentenstudien geeignet, da die Ergebnisse der Studien viel sicherer seien.

Nun will das Team Herzorganoide mit mehreren Kammer züchten, wie es in einem echten menschlichen Herzen der Fall ist. Viele angeborene Herzerkrankungen treten auf, wenn sich andere Kammern zu bilden beginnen. Das Mehrkammernmodell würde Ärzten und Wissenschaftern daher helfen, besser zu verstehen, wie sich Defekte bei Föten entwickeln, schreiben die Biologen in ihrer Publikation.