Mit Nanodrähten ausgetrickste Herzorganoide stellten die Herzfunktion bei Ratten wieder her

Die winzigen, schwebenden Kleckse aus Miniherzen stammten direkt aus Frankenstein. Die Cyborg-Herzorganoide, die aus einer Mischung menschlicher Stammzellen und einer Prise Silizium-Nanodrähten hergestellt wurden, pumpten auf bizarre Weise weg, während sie in Petrischalen wuchsen.

Bei der Transplantation in Ratten mit Herzverletzungen verloren sie ihre Kugelform, breiteten sich in beschädigte Regionen aus und verbanden sich mit den eigenen Herzzellen des Wirts. Innerhalb eines Monats erlangten die Ratten einen Großteil ihrer Herzfunktion zurück.

Es ist keine Science-Fiction. Eine neue Studie in diesem Monat verknüpfte digitale elektrische Komponenten mit biologischen Zellen zu einem Cyborg-Organoid, das, wenn es in Tiermodelle mit Herzinsuffizienz transplantiert wurde, mit lebenden, schlagenden Herzen verschmolz und diese reparierte.

Das Herzstück (hüstel, Wortspiel beabsichtigt) der Technologie sind elektrisch aktive, biologisch abbaubare Silizium-Nanodrähte. Herzzellen synchronisieren ihre Bewegung mit dem Takt der elektrischen Aktivität und erzeugen so den Standardrhythmus „Ba-bump, ba-bump“. Eine Dosis Nanodrähte in den Organoiden fungierte als Leiter der Symphonie und ermöglichte es den im Labor gezüchteten Miniherzen, sich besser mit ihren Wirten zu synchronisieren.

Im Vergleich zu Standard-Herzorganoiden – die auf die gleiche Weise gezüchtet wurden, aber ohne den Nanodraht-Boost – konnten die Cyborg-Organoide die feindselige chemische Umgebung im Herzen nach einem Herzinfarkt besser tolerieren. Außerdem haben sie während der Genesung eine bessere Verbindung zu ihren Wirten aufgebaut und können so eine schädliche Nebenwirkung abwehren, die häufig nach Herzverletzungen auftritt.

Derzeit funktioniert die Cyborg-Herz-Organoid-Transplantation nur bei Ratten. Aber es ist nur ein Anfang.

Das Herz ist ein Soldat. Von der Geburt bis zum Tod zieht es sich fleißig zusammen und gibt es wieder frei, um sauerstoffreiches Blut in den Rest des Körpers zu pumpen. Es handelt sich um ein biologisches Wunderwerk, das bei Hundertjährigen zuverlässig über 100 Jahre überdauert – viel länger als die meisten von Menschen hergestellten Hardware-Geräte.

Doch das Herz ist auch ein Fehlerpunkt. Herzerkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Ein Hauptgrund dafür ist, dass Kardiomyozyten – die „Muskelzellen“ des Herzens, die sich kontrahieren – nur eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Regeneration haben. Bei einer Schädigung durch einen Herzinfarkt wächst nach und nach Narbengewebe um die verletzten Bereiche herum und schränkt schließlich die Kontraktionsfähigkeit des Herzens ein.

Wissenschaftler versuchen seit langem, Herzerkrankungen mit neuen, gesunden Zellen zu behandeln. Eine beliebte Idee besteht darin, menschliche Stammzellen so zu steuern, dass sie sich zu Ersatz-Kardiomyozyten entwickeln. Die im Labor hergestellten Herzmuskelzellen werden dann in beschädigte Bereiche injiziert. Wissenschaftler haben die Behandlung in einer Reihe von Tiermodellen für Herzerkrankungen getestet, darunter Nagetiere, Schweine und nichtmenschliche Primaten. Aber die gesunden Zellen kämpften ums Überleben, wenn sie mit einer feindlichen Umgebung konfrontiert wurden. Diejenigen, die dies taten, konnten sich nicht zuverlässig von Herzschäden erholen, was möglicherweise zu Problemen mit Herzrhythmusstörungen führte – unregelmäßigen Herzschlägen, die auftreten, wenn verschiedene Teile des Herzens nicht in einem synchronisierten Rhythmus schlagen können.

Geben Sie Organoide ein. Diese Strukturen ahmen ihre ursprünglichen Gegenstücke sowohl in ihren Genen als auch in verschiedenen Zelltypen lose nach. Die in Laborschalen gezüchteten 3D-Gewebeklumpen werden häufig als Ersatzorgane verwendet, um neue Medikamente zu testen oder Theorien darüber aufzustellen, wie Dinge im Körper funktionieren – zum Beispiel, wie Schäden durch einen Herzinfarkt repariert werden können. Sie haben aber auch das Potenzial, geschädigtes Gewebe zu ersetzen – etwas, das bei Hirnverletzungen bereits erforscht wird.

Würde es auch für das Herz funktionieren?

Bereits 2017 stellte sich das Team ein Mini-Herz vor – ein sogenanntes Herzorganoid –, das eine Mischung aus verschiedenen Zelltypen kombiniert. Beim Umrühren in einer nahrhaften Rezept-„Suppe“ organisieren sich die Zellen zu Mini-Herz-Organoiden, beispielsweise einem Netzwerk von Blutgefäßen, die beim Transport von Sauerstoff helfen. Doch eine Schlüsselkomponente fehlte: Synchronität. Wie ein talentiertes Orchester ohne Dirigenten brauchten die so entstandenen Mini-Herzen einen „Puls“, um den Takt im Takt zu halten.

Geben Sie Nanodrähte ein. Stellen Sie sie sich als raues, kurzes Haar vor, das Sie abrasieren. Diese Stränge technologischer Magie bestehen aus elektrisch leitendem Silizium. Im Vergleich zu bisherigen gold- oder kohlenstoffbasierten Nanodrähten sind sie weitaus biokompatibler und lösen sich im Körper auf.

Vor etwa einem Jahrzehnt fand das Team überraschend heraus, dass die Nanodrähte (e-SiNW genannt) aus Stammzellen gewonnene menschliche Kardiomyozyten dazu veranlassen können, diese einzubauen, während sich die Zellen zu winzigen Klumpen entwickeln. Die Zugabe einer Dosis Silizium machte die resultierenden Miniherzen stärker und ermöglichte es den manipulierten Organoidzellen, im elektrischen Rhythmus des Herzens zu pulsieren.

Als ersten Test injizierte das Team die Nanodrähte direkt in die Herzen gesunder Ratten. 28 Tage später (nein, es ist keine solche Zombie-Geschichte) gingen die Ratten ihren guten Weg, was bedeutete, dass die Nanodrähte biokompatibel und sicher waren.

Als nächstes stellten sie einen „Fleischbällchen“ aus etwa 1.000 menschlichen Herzzellen und einer ähnlichen Anzahl von Nanodrähten her, wobei zehn Tage später eine kräftige Dosis unterstützender Zellen hinzugefügt wurde. Das Mini-Herz begann in einer Petrischale innerhalb von nur sieben Tagen zu pulsieren.

Bei der Transplantation in gesunde Ratten zerfetzten die Cyborg-Fleischbällchen langsam ihre Kugelform, was darauf hindeutet, dass sie sich in die Herzumgebung des Wirts integrieren. In weniger als einem Monat stellten die Miniherzen mit ihren Nanodrähten zahlreiche elektrische Verbindungen mit den natürlichen Herzzellen des Wirts her.

Es zeige, dass sich die nanoverdrahteten Organoide über Elektrizität und Blutgefäße mit einem schlagenden Herzen verbinden können, sagte das Team.

Dann kam der ultimative Test: Probleme nach einem Herzinfarkt zu beheben. Hier hat das Herz Schwierigkeiten, sich von einem Mangel an Blut und Sauerstoff zu erholen, oft aufgrund einer Blockade wie einem Blutgerinnsel. Sobald die Blockade beseitigt ist, strömt Blut durch die Venen und verursacht oft noch mehr Schaden. Ein wichtiger Knotenpunkt ist der linke Ventrikel im Herzen – der obere linke Teil des Organs. Dies ist der „Motor“ des Körpers, der Blut auspumpt, um das übrige Gewebe zu unterstützen. Außerdem wird es bei Herzerkrankungen leicht beschädigt und schafft ein feindliches lokales Umfeld für neue Transplantationen. (Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, in einem aktiven Vulkan, der gerade explodiert ist, neue Bäume zu pflanzen.)

In einem Test injizierte das Team Cyborg-Organoide und ihre rein biologischen Gegenstücke direkt in Ratten vier Tage nach einem Herzinfarkt. Beide Transplantate verbanden sich bereits eine Woche nach der Transplantation mit ihren Wirten. Die nanoverdrahteten Organoide verzahnten sich auf einer viel höheren Ebene mit den Wirtsherzen, selbst in der Nähe stark beschädigter Bereiche mit Narbengewebe.

Es sei ein Zeichen ihrer „Fähigkeit, in den lebensfeindlichsten Regionen“ des geschädigten Herzens zu überleben, sagte das Team.

Ratten, denen die Cyborg-Implantate verabreicht wurden, stellten weitaus mehr Funktionalität wieder her als Organoide ohne Nanodrähte. Der Wiederaufbau erstreckte sich über das Herz selbst hinaus, um die Kontrolle des Blutdrucks zu unterstützen. Durch die Wiederherstellung eines reibungslosen Blutflusses „steigert die Transplantation die therapeutische Wirksamkeit“ menschlicher Miniherzen, sagte das Team.

Die Nanodrähte machten die Mini-Herzen auch bei ihren Wirten beliebt. 28 Tage nach der Behandlung wies das Herz der Wirte weitaus weniger Narbengewebe auf, das normalerweise mit Herzversagen verbunden ist. Die Cyborg-Transplantationen wirkten sich positiv auf das Immunsystem der Ratten aus, das sich normalerweise nach einem Herzinfarkt verstärkt. Die wichtigsten an diesem Prozess beteiligten Immunzellen sind Makrophagen. Diese Zellen können entweder Teufel oder Engel sein und tödliche Immunreaktionen auslösen oder die Wiederherstellung unterstützen. Im Vergleich zu unverdrahteten Organoiden erhöhten die Cyborg-Organoide den Anteil der „Engel“-Immunzellen in den Transplantat- und Grenzzonen, um die Funktion des gebrochenen Herzens wiederherzustellen.

Es ist noch ein langer Weg, bis die Ergebnisse auf den Menschen übertragbar sind. Die Ergebnisse sind jedoch der neueste kreative Vorstoß zur Verwendung von Organoiden zum Flicken beschädigter Organe. Die „therapeutische Synergie“ zwischen elektrischem Nanomaterial und menschlichen Miniorganen beschränkt sich nicht nur auf das Herz. Eine ähnliche Strategie könnte auch für andere elektrisch aktive Gewebe wie den Muskel oder das Gehirn angewendet werden, so die Autoren.

Bildnachweis: Tan et al/Science Advances