Unser Herz ist ein komplexes Organ – der Motor unseres Lebens. Doch erst jetzt enthüllt der erste Zellatlas des Herzens, welche Vielfalt an zellulären Komponenten dieses Organ aufweist. Für ihre Kartierung haben Forscher die Genaktivität und Funktion von einer halben Million Zellen aus sechs verschiedenen Regionen des Herzens analysiert. Sie entdeckten zahlreiche zuvor unbekannte Subtypen von Herzzellen, aber auch einen unerwarteten Unterschied zwischen den Geschlechtern: Frauen haben mehr Herzmuskelzellen in den Herzkammern als Männer.
Normalerweise ist uns das regelmäßige Schlagen unseres Herzens kaum bewusst. Dabei vollbringt unser Pumporgan enorme Leistungen: Mehr als 100.000 Mal pro Tag zieht es sich zusammen und pumpt sauerstoffreiches Blut durch unsere Adern, dabei passt es sein Tempo flexibel an unsere Bewegungen oder Stresssituationen an. Der Herzschlag ist dabei das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von Akteuren: Wie in einem Orchester müssen tausende von Zellen ihre Aktivität miteinander koordinieren. Doch wie dies im Einzelnen passiert und welche Zellen im Herzen wie arbeiten, ist bislang erst in Teilen geklärt. Denn die meisten Herzzellen können nur begrenzt im Labor gezüchtet und untersucht werden und ihr Zusammenspiel lässt sich nur am intakten Organ erforschen. Die Herzen von Versuchstieren wie Mäusen unterscheiden sich jedoch in vielen Aspekten vom menschlichen Pumporgan.
14 menschliche Herzen und 500.000 analysierte Zellen
Um mehr Einblick in den zellulären Aufbau des Herzens zu erhalten, hat ein internationales Forscherteam um Sarah Teichmann vom britischen Wellcome Sanger Institute und Norbert Hübner vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin vor drei Jahren das Projekt “Human Heart Cell Atlas” begonnen. Als Untersuchungsobjekte dienten ihnen 14 Herzen – sieben von Männern und sieben von Frauen – die ursprünglich zur Organspende bestimmt waren. Weil diese Herzen für eine Transplantation aber dann doch nicht in Frage kamen, standen diese Organe für das Projekt zur Verfügung – ein seltener Glücksfall. Die Forscher entnahmen Zellproben aus sechs Bereichen des Herzens und bestimmten zunächst die individuellen genetischen Merkmale dieser Zellen mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung. “Damit haben wir zum ersten Mal eine Art Postleitzahl, die uns für jede Zelle verrät, zu welcher Population sie gehört”, erklärt Co-Autorin Christine Seidman von der Harvard University.
Im nächsten Schritt analysierten die Wissenschaftler das Transkriptom der verschiedenen Herzzelltypen – den vom Erbgut abgelesenen und in Form von RNA vorliegenden Anteil des genetischen Codes. Er verrät, welche Gene in den Zellen gerade aktiv sind und welche Proteine gerade produziert werden. Das Ergebnis dieser Arbeiten ist ein Herzatlas, der Zelltyp, Position und Aktivität von fast einer halben Million verschiedenen Herzzellen zeigt. “Ich kann diese Leistung nur in einem Wort zusammenfassen: monumental”, kommentiert der nicht an der Studie beteiligte Kardiologe Douglas Mann von der Washington University in St. Louis. “Das ist eine wirklich große Errungenschaft und wird eine enorm wichtige Referenzquelle für Forschung auf diesem Gebiet sein.”
Unerwartete Unterschiede zwischen Mann und Frau
Konkret enthüllten die Analysen eine unerwartete zelluläre Vielfalt in unserem Pumporgan. In jedem der sechs Herzbereiche fanden sich jeweils spezifische Kombinationen verschiedener Zelltypen, von Stützzellen, über Muskelzellen und Immunzellen bis zu den Gefäßzellen der versorgenden Adern. Alle bisher bekannten Zelltypen des Herzens besitzen außerdem zahlreiche, teilweise zuvor unbekannte Subtypen. So gibt es nicht die eine Herzmuskelzelle, sondern viele verschiedene Kardiomyozyten mit teilweise ganz unterschiedlichen Funktionen. Die Genexpressionsmuster legen nahe, dass manche von ihnen mit einer viel höheren Stoffwechselrate umgehen können als andere. Warum das so ist, können die Wissenschaftler noch nicht sagen. Auch bei den Fibroblasten, den Bindegewebszellen des Herzens, gab es unterschiedliche Aktivitätsmuster. “Manche produzieren die extrazelluläre Matrix über verschiedene Prozesse, andere bauen das Gerüst um, wieder andere kommunizieren mit Immunzellen in ihrer direkten Nachbarschaft”, berichtet Hübners Kollegin Henrike Maatz.
Unerwartet war zudem die Beobachtung, dass Frauen in ihren Herzkammern mehr Muskel- und weniger Bindegewebszellen haben als Männer – obwohl weibliche Herzen in der Regel kleiner sind als männliche. Möglicherweise könnte dies erklären, warum Frauen seltener als Männer an Herz-Kreislauf-Leiden erkranken. “Das ist faszinierend, aber das Ergebnis basiert auf nur sieben Herzen jedes Geschlechts”, betont Maatz. “Wir müssen mal schauen, ob dieses Ergebnis weiteren Untersuchungen standhält.” Nach Ansicht der Wissenschaftler bietet ihr Herzatlas nun viele neue Anknüpfungsstellen für die Erforschung von Herzkrankheiten. “Der Atlas wird zu einem neuen Verständnis von Herzgesundheit und -krankheit, zu neuen Behandlungen und möglicherweise sogar zu neuen Wegen führen, geschädigtes Herzgewebe zu regenerieren”, sagt Teichmann. Denn um zu verstehen, was bei den verschiedenen Formen der Herzerkrankungen schiefläuft, müsse man zunächst wissen, wie das gesunde Herz auf zellulärer Ebene funktioniere – und dazu trage der Herzatlas nun bei.
Quelle: Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2797-4
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