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Noch bevor sie Blut pumpen können, brauchen Babyherzen Rhythmus
Eine Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Biomaterialien stellt fest, dass die rhythmische Pulsation von Herzmuskelzellen eine treibende Kraft bei der anfänglichen Bildung von Herzklappen ist.
Das Herz bildet ein einfaches U-förmiges Gewebeschlauch, der aus drei Schichten besteht.
Eine Schicht von Herzmuskelzellen beginnt zu pulsieren, noch bevor Blutgefäße gebildet werden. Unter dem Muskel befindet sich eine Schicht von "Herzgelee" und darunter eine Schicht von Endothelzellen, die sich in interstitielle Zellen (VICs) umwandeln.
Wo sich die Herzklappen bilden, lagern sich Endothelzellen in Kissen aus Herzgelee ein.
Die Endothelzellen wandeln sich in VICs um, und diese Zellen koordinieren die Umwandlung des Herzgels in die zwei oder drei Klappen (genannt "Blättchen"), die die Klappe bilden und den Blutfluss zum Herz durch Öffnen und Schließen steuern.
Herzklappen sind anfällig für Schäden durch Krankheiten, Krebs, Alterung, Herzinfarkt und Geburtsfehler. Rund 40.000 Babys werden jedes Jahr in den USA mit angeborenen Herzfehlern geboren. Daher ist die Schaffung einer funktionierenden Herzklappe, die bei Patiententransplantationen verwendet werden kann, seit einiger Zeit eine Priorität.
Gegenwärtig gibt es künstliche Klappen, aber sie bestehen aus Kunststoff, so dass Kinder, die mit angeborenen Herzfehlern geboren wurden, mehrere Operationen ertragen müssen, um diese im Laufe ihres Wachstums ersetzen zu lassen.
Künstliche Herzklappen aus menschlichen Zellen wachsen
Die Lösung, auf die die Forscher der neuen Studie hinarbeiten, ist die Schaffung eines künstlichen Ventils aus menschlichen Zellen, das mit dem Kind wächst.
"In den letzten 15 Jahren haben Menschen versucht, eine Herzklappe aus künstlichem Gewebe mit Brute-Force-Engineering-Methoden ohne Erfolg zu erstellen", sagt W. David Merryman, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Vanderbilt University in Nashville, TN.
"Wir haben uns entschlossen, einen Schritt zurück zu gehen und zu untersuchen, wie sich Herzklappen auf natürliche Weise entwickeln, so dass wir herausfinden können, wie sich der Prozess vervielfältigen lässt."
Zu diesem Zweck führte Prof. Merryman ein Team von Ingenieuren, Wissenschaftlern und Klinikern in einer Reihe von Experimenten an Hühnerherzen. Die meisten tierischen Herzklappen durchlaufen in ihrem Leben etwa 1 Milliarde Mal ihren Zyklus, aber die Herzklappen von Hühnern und Menschen - die sich auf ähnliche Weise entwickeln - durchlaufen 2 bis 3 Milliarden Zyklen.
Im Frühjahr 2012 gab das Vanderbilt-Team bekannt, dass sie zuvor unbekannte Gene und molekulare Signalwege identifiziert haben, die mit der Bildung von Herzklappen in Zusammenhang stehen. Ihre neueste Arbeit - die Untersuchung der "mechanischen Kräfte", die die Herzklappenbildung beeinflussen - vervollständigt die Wissenslücken.
"Die genetische Studie gab uns die Liste der grundlegenden Teile - der Hardware -, die für den Bau einer Herzklappe benötigt werden. Diese neueste Studie liefert uns die Informationen, die wir über die erforderliche Umgebung benötigen", sagt Prof. Joey Barnett, Co-Principal Ermittler für das Projekt.
"Mit dieser Information sollten wir haben, was wir brauchen, um interstitielle Zellen zu schaffen, die die grundlegenden Bausteine ??von Herzklappen bilden."
Rhythmisch schlagende Zellen helfen Herzklappen zu bilden
Ein Standardverfahren zur Beobachtung der frühen Stadien der Herzentwicklung besteht darin, das Herz eines Kükens - an dem Punkt, an dem die Größe und Form eines Kommas auf einer gedruckten Seite ist - zu extrahieren und es in eine Zellkulturschale mit Kollagengel zu geben.
Dies allein war jedoch nicht geeignet, die mechanischen Kräfte zu untersuchen, die bei der Bildung der Ventile eine Rolle spielen.
Die Forscher wollten die Pulsation der Herzzellen messen, um zu sehen, wie dies die Ventilbildung beeinflusste. Daher erstellten sie ein Computerprogramm, das Sequenzen mikroskopischer Bilder auf der Oberfläche des Gels analysierte.
"Wir haben herausgefunden, dass mechanische Kräfte wichtig sind, wenn man Babyherzen herstellt", sagt Mary Kathryn Sewell-Loftin, die Vanderbilt-Studentin, die das Computerprogramm erstellt hat.
Bei der Untersuchung der Stellen auf der Computerkarte, auf denen VICs gebildet wurden, stellte das Team fest, dass sich die VICs bevorzugt in Bereichen mit "hoher Belastung" bilden, die durch die rhythmische Expansion und Kontraktion von Herzmuskelzellen verursacht werden.
"Die Entdeckung, dass die Verformungen der schlagenden Herzmuskelzellen wichtig sind, eröffnet eine völlig neue Perspektive auf den Prozess", sagt Prof. Merryman.
Als nächstes wird das Vanderbilt-Team mit einem Stammzellforscher zusammenarbeiten, um ihre eigenen Endothelzellen zu produzieren, von denen sie hoffen, dass sie menschliche VICs produzieren können. Sobald sie die VICs haben, glauben die Forscher, dass sie künstliche menschliche Herzklappen in einem Bioreaktor wachsen lassen können.
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