Aus menschlichen Herzmuskelzellen haben Forscher einen vollständig autonomen künstlichen Fisch gebaut. Die biohybride Konstruktion wird durch die Kontraktionen der Herzmuskelzellen angetrieben und ahmt die Schwimmbewegungen eines Zebrafisches nach. Das Modell verdeutlicht, wie wichtig Rückkopplungsmechanismen für die Funktion von Muskelpumpen wie dem Herzen sind. Es kann zukünftig auch dazu dienen, Herzkrankheiten wie Herzrhythmusstörungen näher zu erforschen. Zudem stellt es einen weiteren Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines künstlichen Herzens für Menschen dar.
Im Laufe eines Menschenlebens schlägt unser Herz rund drei Milliarden Mal. Damit das Blut optimal durch unseren Körper gepumpt wird, müssen die Muskeln in einem genau festgelegten Muster kontrahieren. Als Taktgeber fungiert der Sinusknoten, der die Muskelzellen durch elektrische Signale stimuliert. Durch interne, mechanoelektrische Feedback-Systeme reagieren sie zudem auf physiologische Anforderungen. Dieses System ist so ausgeklügelt und komplex, dass es Forschern bislang nur in Ansätzen gelungen ist, es künstlich nachzubilden. Zwar können sie winzige pochende Herzorganoide züchten, doch von einem tatsächlich funktionierenden Herz sind sie noch weit entfernt.
Hybridfisch als Herzmodell
Ein Team um Keel Yong Lee von der Harvard University in Boston nähert sich diesem Ziel nun mit einem anderen Ansatz: „Statt den Schwerpunkt darauf zu legen, die anatomischen Merkmale des Herzens nachzubilden, lassen wir uns bei der Gestaltung von der Biophysik des Herzens inspirieren“, sagt Lees Kollege Kevin Kit Parker. „Wir identifizieren die wichtigsten biophysikalischen Prinzipien, die das Herz zum Funktionieren bringen, verwenden sie als Designkriterien und bilden sie in einem System nach, in dem einfacher zu erkennen ist, ob wir erfolgreich sind: einem künstlichen schwimmenden Fisch.“
Dazu züchteten Lee und sein Team zunächst aus Stammzellen menschliche Herzmuskelzellen. Diese ließen sie so zusammenwachsen, dass sie zwei Schichten bilden, je eine auf jeder Seite der Schwanzflosse ihres künstlichen Fisches. Zudem isolierten sie spezielle Herzmuskelzellen, aus denen sie einen vom Sinusknoten inspirierten Taktgeber konstruierten und mit der Doppelschicht aus Muskeln verbanden. Den Körper des etwa fingernagelgroßen Fisches bauten sie aus Papier, Gelatine und einer Plastikflosse auf.
Interne und externe Stimulation
Bei der Anordnung der beiden Muskelschichten ließen sich die Forscher vom Muskelantrieb in Insektenflügeln inspirieren. Dieser ist so aufgebaut, dass jeweils die Bewegung in die eine Richtung den Impuls für die Bewegung in die andere Richtung gibt. Auch Herzmuskelzellen sind für ein solches System geeignet. Als Teil des mechanoelektrischen Feedback-Systems besitzen sie bestimmte Rezeptoren, die auf mechanische Dehnung reagieren und in der Folge eine Kontraktion auslösen. Beim biohybriden Fisch befestigten Lee und seine Kollegen die Muskelschichten so, dass jeweils eine Kontraktion der Muskeln auf der einen Seite eine Dehnung auf der anderen Seite nach sich zog – worauf diese Muskeln wiederum einen Kontraktionsimpuls gaben und die auf der Gegenseite dehnten.
„Dies ermöglichte die Erzeugung kontinuierlicher Rhythmen zur Regulierung des antagonistischen Muskelpaars, um einen spontanen, aber koordinierten Schwimmantrieb mit der Schwanzflosse zu erzeugen“, berichten die Forscher. Um den Hybridfisch zusätzlich auch extern steuern zu können, veränderten sie die Muskelzellen genetisch so, dass sie auf Lichtimpulse reagierten: Bei Muskeln auf der linken Seite des Hybridfisches führte rotes Licht zur Kontraktion, bei Muskeln auf der rechten Seite blaues Licht. Durch abwechselnd rote und blaue Lichtimpulse konnten die Forscher somit die Bewegungen des Fisches koordinieren: Bei schnellem Wechsel der Lichtimpulse schwamm er schneller, bei langsamem Wechsel langsamer. „Das erinnert an die Kraft-Frequenz-Beziehung beim menschlichen Herzen“, so Lee und sein Team.
Plattform für weitere Forschungen
Der Hybridfisch funktionierte 108 Tage lang – länger als alle bisherigen Modelle. Im Laufe der Zeit verbesserte er sogar seine Leistung: „Die Amplitude der Muskelkontraktionen, die maximale Schwimmgeschwindigkeit und die Muskelkoordination nahmen im ersten Monat zu und blieben insgesamt 108 Tage erhalten“, schreiben die Forscher. Die Schwimmleistung des Hybridfisches ähnelte dabei der von echten Zebrafischen. „Unsere Ergebnisse verdeutlichen die Rolle von Rückkopplungsmechanismen in Muskelpumpen wie dem Herzen“, sagt Lee. Sein Kollege Sung-Jin Park ergänzt: „Diese neue Forschungsarbeit bietet ein Modell zur Untersuchung der mechanoelektrischen Signalübertragung als therapeutisches Ziel für das Herzrhythmus-Management. Sie hilft auch, zu verstehen, welche Prozesse bei Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen eine Rolle spielen.“
Quelle: Keel Yong Lee (Harvard University, Boston, Massachusetts) et al., Science, doi: 10.1126/science.abh0474
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