Nach 13 Jahren bekam das Mini-Herz endlich einen Mantel

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Yuhuan (Universität Jilin)

Hersteller: China Science Expo

Wenn Sie in der U-Bahn hetzen, um die morgendliche Rushhour zu erwischen, oder wenn Sie im Büro lange aufbleiben, um Überstunden zu machen, wer trägt dann stillschweigend diese Lasten? Es ist das Herz, der Motor des Lebens, der uns in jedem Augenblick kontinuierlich mit der Quelle des Lebens versorgt. Das Herz ist jedoch keine eiserne Maschine und braucht auch unsere Pflege.

Herzkrankheiten sind die Todesursache Nummer eins und bedrohen Leben und Gesundheit des Menschen. Auch im Bereich der Biowissenschaften ist die Herzgesundheit ein ewiges Thema. Erfahren Sie mehr über die Geschichte, wie Wissenschaftler dreizehn Jahre brauchten, um dem „Mini-Herzen“ endlich eine Hülle zu verpassen.

Kleine Organe haben große Wirkung

Der menschliche Körper ist so empfindlich und komplex. Um die Entwicklung sowie die physiologischen und pathologischen Zustände menschlicher Organe besser untersuchen zu können, haben Wissenschaftler „Organoide“ in Kulturschalen geschaffen. Es handelt sich dabei um eine dreidimensionale Zellkultur, die eine ähnliche räumliche Organisation wie das entsprechende Organ aufweist und einige der Funktionen des entsprechenden Organs reproduzieren kann, wodurch ein physiologisch hoch relevantes System entsteht.

Abbildung 2 Organoide sind ein leistungsfähiges Instrument zur Untersuchung der menschlichen Organentwicklung sowie der Physiologie und Pathologie

(Bildquelle: Genome Institute of Singapore)

Aufgrund der Komplexität der menschlichen Herzmikroumgebung können viele Ergebnisse aus Tierstudien nicht vollständig auf den Menschen übertragen werden. Herz-Organoide, auch als „Mini-Herzen“ bekannt, sind von großer Bedeutung für das Verständnis der Herzentwicklung und die Erforschung der Behandlung angeborener Herzfehler.

Die Geschichte der Herz-Organoide

Dem Team von Professor Alessandra Moretti an der Universität München in Deutschland ist es als ersten Forschern weltweit gelungen, Organoide zu erzeugen, die Kardiomyozyten und die äußere Zellschicht der Herzwand (Epikard) enthalten. Bereits 2010 beschrieb Professor Moretti, wie man mithilfe von Stammzellen menschliches Herzmuskelgewebe erzeugen kann. 2015 machte er neue Entdeckungen zur Verwendung von Stammzellen zur Erzeugung selbstorganisierten Exokards. 2018 nutzte er die Einzelzell-Transkriptom-Technologie, um den molekularen Mechanismus der Stammzellbildung von Herzgewebe zu erforschen. Im Jahr 2021 nutzte er die Technologie der Genom-Editierung, um genetische Mutationen zu korrigieren, die Herzkrankheiten verursachen.

Ein ungelöstes Problem im Bereich der Herz-Organoide ist die Unfähigkeit von aus pluripotenten Stammzellen gewonnenen Herz-Organoiden, spontan ein echtes Epikard zu bilden, das eine entscheidende Funktion bei der Entwicklung und Reparatur des Herzens hat. In einem am 3. April 2023 in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology veröffentlichten Artikel löste das Team von Professor Moretti dieses Problem und setzte damit einen weiteren wichtigen Meilenstein in der Herzentwicklungsforschung.

Abbildung 3 Die Forschungsgruppe von Alessandra Moretti veröffentlichte einen Artikel in Nature Biotechnology, der „epikardiale Organoide“ zeigt.

(Bildquelle: Offizielle Website des Magazins Nature)

Wie also entsteht dieser Mini-Herzmantel und wie funktioniert er? Hierzu ist es erforderlich, dass wir dies unter folgenden Gesichtspunkten mit Ihnen besprechen.

1. Wie werden epikardiale Organoide erzeugt?

Um Herz-Organoide zu bauen, die dem echten Herz noch ähnlicher sind, fügte das Team von Professor Moretti der Formel, die zur Bildung von Kugeln aus menschlichen pluripotenten Stammzellen verwendet wurde, Retinsäure hinzu, die die Entwicklung des Epikards fördern kann, und bettete die Kugeln dann für die 3D-Kultur in Gel ein. Schließlich stellte sich heraus, dass die mit Retinsäure behandelten Kugeln nicht nur einen Kern aus Kardiomyozyten bildeten, sondern auch eine dicke Kapselschicht ( Abbildung 4 ). Die Forscher waren angenehm überrascht, als sie feststellten, dass diese Hüllschicht eine große Anzahl von Zellen enthielt, die epikardiale Marker exprimierten. Dies ist genau die „äußere Hülle“ der Herz-Organoide, nach der alle seit 13 Jahren suchen!

Abbildung 4 Schematische Darstellung des Prozesses zur Erzeugung epikardialer Organoide unter Verwendung menschlicher pluripotenter Stammzellen

(Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Durch eine weitere Optimierung der Kultur erhielten die Forscher schließlich Herzorganoide, die eine funktionelle Selbstorganisation des ventrikulären Myokards und des Epikardiums zeigten, und nannten sie „Epikardioide“.

2. Wie ähnlich sind epikardiale Organoide dem menschlichen Herzen?

Nachdem die Forscher die epikardialen Organoide erhalten hatten, analysierten sie deren Zellkomponenten durch Einzelzellsequenzierung und stellten fest, dass diese die gleichen Zelltypen wie das menschliche fetale Epikard aufwiesen, darunter mesotheliale Epikardzellen, aus dem Epikard stammende mesenchymale Zellen und proliferierende Zellen. Darüber hinaus reproduziert dieses winzige Organoid das menschliche Ventrikelmuster perfekt: Die Aktionspotential-Repolarisationszeit des dichten äußeren Myokards ist deutlich kürzer als die des inneren Myokards (Abbildung 5).

Abbildung 5 Das äußere Myokard (OM) und das innere Myokard (IM) epikardialer Organoide

(Bildquelle: Referenz [1])

Es zeigt sich, dass epikardiale Organoide die Struktur, Funktion und zelluläre Komplexität des menschlichen Herzens äußerst gut simulieren.

3. Wie interagieren verschiedene Herzzellen miteinander?

Eine weitere Analyse der Einzelzellsequenzierungsdaten ergab eine große Anzahl von Wechselwirkungen zwischen Epikardialzellen und anderen Zelltypen. Die Forscher konzentrierten sich auf die Ligand-Rezeptor-Interaktion zwischen dem insulinähnlichen Wachstumsfaktor 2 (IGF2) in Epikardzellen und dem insulinähnlichen Wachstumsfaktor-1-Rezeptor (IGF1R) in Kardiomyozyten, da diese ein wichtiger Treiber der Myokardverdichtung bei Nagetieren ist, im menschlichen System jedoch noch nicht untersucht wurde.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Behandlung mit IGF1R-Inhibitoren die Teilung von Kardiomyozyten in epikardialen Organoiden signifikant reduzierte (Abbildung 6). Bei der Behandlung von Herzorganoiden ohne Epikard mit IGF2 nahm die Kardiomyozytendichte mit zunehmender IGF2-Konzentration zu, was darauf hindeutet, dass IGF2 ausreicht, um auch ohne Epikard eine Myokardverdichtung herbeizuführen.

Abbildung 6 Die Interaktion zwischen epikardialen Zellen IGF2 und Kardiomyozyten IGF1R fördert die Myokardverdichtung.

(Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

4. Wer sind die „Vorfahren“ der Epikardialzellen?

Woher kommen diese wichtigen Epikardialzellen? Bislang war die Ontogenese epikardialer Vorläuferzellen unklar und über ihre menschlichen Gegenstücke ist noch weniger bekannt.

In dieser Studie verwendete Professor Moretti Einzelzellsequenzierung in Kombination mit Methoden der Computerbiologie, um Zellverläufe auf einer Zeitachse zu verfolgen, und entdeckte schließlich, dass die Vorläuferzellen des „Pre-JCF“ die Hauptquelle der Epikardialzellen sind. Darüber hinaus sind „Prä-JCF“-Vorläuferzellen beim Menschen „bipotent“ und können sowohl Kardiomyozyten als auch Epikardialzellen erzeugen ( Abbildung 7 ).

Abbildung 7 Die Linienverfolgung zeigt, dass sich „prä-JCF“-Vorläuferzellen in epikardiale Zellen und Kardiomyozyten differenzieren

(Bildquelle: Referenz [1])

5. Was können epikardiale Organoide?

Eine der Hauptfunktionen von Organoiden besteht darin, Krankheiten zu simulieren. Nach der Gewinnung epikardialer Organoide möchten die Forscher dieses Modell gerne nutzen, um Probleme zu lösen, die mit zweidimensionalen In-vitro-Modellen nicht gelöst werden können, wie etwa die Schlüsselrolle der Fibrose bei der Entwicklung einer Herzinsuffizienz. Die Forscher behandelten zunächst epikardiale Organoide mit einem Vasokonstriktor, der eine Hypertrophie der Kardiomyozyten auslöste und außerdem dazu führte, dass sie bekannte Merkmale eines versagenden Herzens aufwiesen: häufige Arrhythmien und eine verringerte Amplitude von Kalziumtransienten. (Abbildung 8).

Abbildung 8 Die Behandlung epikardialer Organoide mit dem Vasokonstriktor ET150 erhöhte die Arrhythmiefrequenz und verringerte die vorübergehende Kalziumamplitude.

(Bildquelle: adaptiert aus Referenz [1])

Darüber hinaus testeten die Forscher die Fähigkeit epikardialer Organoide, eine angeborene Myokardfibrose nachzuahmen. Sie erzeugten patientenspezifische Epikard-Organoide unter Verwendung induzierter pluripotenter Stammzellen von Patienten mit Noonan-Syndrom (die bei der Geburt eine schwere linksventrikuläre Hypertrophie und Myokardfibrose aufweisen) und fanden in der Kultur heraus, dass die zelluläre Umgebung des Epikards fibrotische Veränderungen zulässt, die mit Entwicklungsdefekten einhergehen.

Auf Grundlage dieser Erkenntnisse können epikardiale Organoide in präklinischen Tests eingesetzt werden, um die Wirkung von Medikamenten gegen Myokardfibrose zu bestimmen und so das Risiko von Schäden durch direkte Einwirkung auf menschliche Probanden zu vermeiden.

Abschluss

Bis zu einem gewissen Grad kann man sagen, dass Organoide für Wissenschaftler ein wirkungsvolles Forschungsinstrument sind, um die Geheimnisse des Lebens zu entschlüsseln. Im Bereich der Herzforschung bieten epikardiale Organoide eine einzigartige Plattform zur Beantwortung grundlegender Fragen der Entwicklungsbiologie sowie der Herz-Kreislauf-Medizin und der Arzneimittelforschung. Es ist absehbar, dass dieses Mini-Herz in der Oberbekleidung noch weitere Entdeckungen bringen wird. Aber vorher sollten wir gut trainieren, um unser Herz zu schützen!

Quellen:

Meier AB et al.: Die Genomik epikardioider Einzelzellen deckt Prinzipien der Biologie des menschlichen Epikards bei der Entwicklung und Erkrankung des Herzens auf. Nat Biotechnol. 3. April 2023.