Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind die weltweit häufigste Todesursache und etwa jedes 50. Neugeborene leidet unter einem angeborenen Herzfehler. Weil jedoch bislang nur wenig über die molekularen Ursachen der Defekte bekannt ist, gibt es auch nur wenige Therapiemöglichkeiten. Die Forschung tritt auf der Stelle, weil es kein Modell gibt, das das gesamte menschliche Herz abdeckt. Das ist jedoch wichtig, weil bei den Erkrankungen unterschiedliche Bereiche des Herzens betroffen sind. „Während die meisten Krankheiten bei Erwachsenen die linke Herzkammer betreffen, die sauerstoffreiches Blut durch den Körper pumpt, betreffen angeborene Defekte vor allem andere Herzregionen, die für den Aufbau und die Aufrechterhaltung der Durchblutung unerlässlich sind“, erklärt Sasha Mendjan vom Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA).
Neue Cardioide kombinieren verschiedene Herzbereiche
Ein Forschungsteam um seine IMBA-Kollegin Clara Schmidt hat nun mehrere dreidimensionale Zell-Modelle entwickelt, sogenannte Organoide, die die wichtigsten Strukturen des menschlichen Herzens umfassen: die Vorhof-Region, die beiden Herzkammern sowie die Strukturen für ihren Blutzu- und -abfluss. In Vorarbeiten hatte das Team bereits aus menschlichen Stammzellen ein Kammer-ähnliches Herzorganoid, ein sogenanntes Cardioid, hergestellt. Dieses ähnelte der linken Herzkammer in einem sehr frühen Embryonalstadium. In ihrer neuen Studie haben die Forschenden nun auch entsprechende Organoide von frühen Entwicklungsstufen der rechten Herzkammer, der Vorhöfe sowie der Ein- und Ausgangsbereiche der beiden Herzkammern entwickelt – zunächst getrennt voneinander.
Dann versuchten Schmidt und ihre Kollegen, aus den Einzelteilen ein vereinfachtes Herz-Organoid mit mehreren Kammern zu bilden, das wie das frühe menschliche Herz koordiniert schlägt. Dafür ließen sie die einzelnen Organoide für linke und rechte Herzkammer sowie einen Vorhof gemeinsam entwickeln und zusammenwachsen. Mit Erfolg: „Tatsächlich breitete sich ein elektrisches Signal vom Vorhof zur linken und dann zur rechten Ventrikelkammer aus – genau wie bei der frühen fetalen Herzentwicklung bei Tieren“, sagt Mendjan. „Wir haben diesen grundlegenden Prozess nun erstmals in einem menschlichen Herzmodell mit all seinen Kammern beobachtet“, ergänzt er.
Mit dem neuen Drei-Kammer-Cardioid-Modell können Forschende nun die Organisation des Herzgewebes innerhalb einzelner Bereiche genauer untersuchen, und auch genauer nachvollziehen, warum sich die Kammern in ihrem typischen Rhythmus abwechselnd zusammenziehen. So haben Schmidt und ihre Kollegen bereits neue Hinweise darauf gefunden, wie unser Herz seinen Rhythmus findet. Demnach gibt zunächst die linke Herzkammer den Rhythmus der entstehenden rechten Herz- und Vorhofkammer vor. Zwei Tage später folgten die beiden Kammern der Führung des Vorhofs. „Das spiegelt wider, was man bei Tieren sieht, bevor die späteren Anführer, die spezialisierten Schrittmacherzellen, den Herzrhythmus kontrollieren“, erklärt Koautorin Alison Deyett vom IMBA.
