Zukunftsvision: Lichtschalter für’s Herz

19. April 2012
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Regenerative Medizin lässt aus Stammzellen ganze Organe nachwachsen. Wenn es nach Forschern geht, sollen die pluripotenten Zellen eines Tages auch Herzschrittmacher ersetzen. Die Taktzahl lässt sich dabei individuell mit Lichtimpulsen regulieren.

Die Technik sitzt direkt auf dem Herz und kann Leben retten. Der Schrittmacher sagt der Blutpumpe, mit welchem Tempo sie arbeiten muss, kann es aber bei Lebensdauer und Qualität nicht mit dem natürlichen Taktgeber aufnehmen. Nach einigen Jahren ist die Batterie zu Ende. Die ständige Bewegung zerrt ausserdem an den Kabeln, sodass Materialermüdung zuweilen zu einer Fehlfunktion oder gar zum Ausfall führt.

Wäre es nicht schön, wenn es gelänge, die Elektronik in der Metallbox durch biologische Steuerelemente zu ersetzen? Der Weg dorthin könnte über Stammzellen führen. Bisherige Studien zur Reparatur von verletztem Herzmuskelgewebe waren bisher jedoch nicht sehr vielversprechend. Die eingesetzten Stammzellen störten den Takt der verbliebenen Kardiozyten. Dass die Stammzelltechnologie dennoch langfristig eine völlig neue Art von Schrittmachern hervorbringen könnte, darauf lassen Ergebnisse von der kalifornischen Stanford University hoffen. Dort gelang es einem Team von Systembiologen, Bauingenieuren und Medizinern, aus embryonalen Stammzellen molekulare Taktgeber für das Herz zu machen, die sich von außen steuern lassen. Die Ergebnisse veröffentlichten sie im letzten Herbst im angesehenen „Biophysical Journal“.

Optogenetischer Antrieb: Pulsieren im Lichtrhythmus

Das Labor von Karl Deisseroth beschäftigt sich eigentlich mit der medizinischen Anwendung der optogenetischen Methoden auf Nervenzellen. Mit Lichtimpulsen aktivieren die Wissenschaftler manipulierte Neuronen und können dann den Weg des Signals weiterverfolgen. Mit Gentechnik gelang es seinem Mitarbeiter Oscar Abilez, embryonale Stammzellen lichtempfindlich zu machen. Dazu baute er Channelrhodopsin-2 in die Membran der Stammzellen ein. Der Kanal für Natriumionen stammt ursprünglich aus Grünalgen und lässt sich mit blauem Licht anregen und damit öffnen.

Aus den Stammzellen wurden durch gezielte Differenzierung Herzmuskelzellen. Blaue Lichtimpulse von 480 nm verwandelten schließlich die Zellen in der Kulturschale zu zellulären Potential-Generatoren. Mittels Patch-Clamp-Technik zeichneten die Bioingenieure die Stärke der Impulse auf, Videomikroskopie erlaubte es, die Frequenz der pulsierenden Muskelzellen zu bestimmen. Mit der vorgegebenen Zeitabfolge der Lichtimpulse schlugen die Zellen entsprechend im Takt.

Computersimulation: Biologischer Schrittmacher

Lässt sich dieses einfache in-vitro-Modell auch auf das menschliche Herz übertragen? Um das zu klären, ging Abilez zum benachbarten Labor von Ellen Kuhl. Sie arbeitet an einem Computermodell des menschlichen Körpers. Mit den experimentellen Daten seiner Stammzellen ließ sich zumindest am Computer ein biologischer menschlicher Herzschrittmacher simulieren. Das virtuelle Modell zeigte, wie sich verschiedene Platzierungen der Stammzellen im Herz auf die Weiterleitung der Signale und damit die optimale Schrittmacherposition auswirkten.

Herzstillstand per Lichtsignal

Einen zellulären Schrittmacher mit Lichtsignalen antreiben – ein entsprechendes Experiment hatten Forscher aus San Francisco, Freiburg und Dresden bereits vor eineinhalb Jahren in „Science“ veröffentlicht. Dabei benutzten sie Herzmuskelzellen des Zebrafischs, die sowohl einen Einschalter (Channelrhdopsin-2), als auch mit Halorhodopsin einen Ausschalter besaßen. Halorhodopsin ist eine (gelb-)lichtgetriebene Ionenpumpe, die negativ geladene Chloridionen in die Zelle transportiert und damit vorhandene Ströme auslöscht. Mit der Kombination der beiden Membranproteine und blauem beziehungsweise gelbem Licht stellten Aristides Arrenberg und seine Kollegen Tachykardien, Bradykardien oder den Stillstand im Fischherz nach.

In einem zukünftigen biologischen Schrittmacher, so schwebt den Entwicklern vor, lassen sich die implantierten Zellen mit Lichtsignalen an die vorhandenen Taktgeber anpassen. Die Lichtquelle könnte in einer anderen Körperregion oder gar ausserhalb liegen und ihre Signale per Lichtleiter an die implantierten Schrittmacherzellen weitergeben. Mit körpereigenen Stammzellen wären Abstoßungsreaktionen oder Unverträglichkeiten kein Thema mehr. Die synchron schlagenden Zellen würden im Idealfall schnell Teil des natürlichen Herzmuskels.

Stoffwechsel- und Verhaltenssteuerung mit der Lampe

Im Jahr 2010 wählte „Nature“ die Optogenetik zur „Methode des Jahres“. Bereits vor zehn Jahren entdeckten die deutschen Forscher Ernst Bamberg, Georg Nagel und Peter Hegemann das erste lichtempfindliche Ionenkanalprotein. Drei Jahre Später begann das Zeitalter der Optogenetik, als Alexander Gottschalk von der Uni Frankfurt das Gen in Fadenwürmer einbaute. Lichtimpulse brachten die Zellen dazu, Signale auszusenden. Vor allem im Bereich des Nervensystems hat sich seitdem einiges getan: Weibliche Fliegen fangen in blauem Licht an zu balzen, Mäuse erwachen sanft aus dem dem Tiefschlaf oder verlieren ihre natürliche Angst, je nachdem, wo die entsprechenden Nervenzellen aktiv sind. Aber auch in anderen Systemen kann Licht gezielt molekulare Schalter bedienen. Im Oktober letzten Jahres berichtete DocCheck über die Produktion des Peptidhormons GLP-1, einem wichtigen Glied im Insulinstoffwechsel, in Nierenzellen.

Vielleicht gehören metallische Stromerzeuger zur Herzschlag-Unterstützung schon in ein bis zwei Jahrzehnten der Vergangenheit an. Stattdessen beleuchtet rhythmisches blaues Licht eine Kolonie von implantierten Herzmuskelzellen, die ihre Signale an die Nachbarschaft weiterleiten. Drahtlos und ohne Aufwand individuell regelbar.

24 Wertungen (4.79 ø)
Kardiologie, Medizin

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2 Kommentare:

Medizinjournalist

@ 2 Natürlich haben Sie recht.
Die Publikation von Tobias Bruegmann et al ( http://dx.doi.org/doi:10.1038/nmeth.1512 ) mit Mäusestammzellen bzw Kardiozyten gehört natürlich auch hierher. Mea Culpa: Wahrscheinlich bin ich nicht darauf gestossen, weil sie weder im Artikel von Abilez noch in dem von Arrenberg et al (die Zwei Artikel im Kasten oben) erwähnt wird – Eigentlich erstaunlich.
Gerade deshalb nochmals vielen Dank!

#2 |
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Susanto Schink
Susanto Schink

Nun mit der High Tech Medizin vieles zu machen, aber wie wäre mit der Prevention und natürlicher Behandlung für die meisten nicht akute Erkrankungen, v.a. für die chronischenn Krankheiten, die häufig nach Erfahrungen sehr gut zu kombinieren mit der TCM (Traditionellen Chinesischen Medizin, auch der anderen westlichen Ganzheitsmedizin), sonst v.a. gegen Schwäche-Erkrankungen, einschließlich Immunschwäche, Psychosomatische Krankheiten, sog. Ohne Befund-Erkrankungen, die im Alltag der ärztlichen Praxen sehr häufig anzutreffen sind, die mit der ausschließlicher schulmedizinischen Behandlungskonzepten und -methoden sehr wenig zu behandeln sind.
Übertreibungen und zu hohe Erwartungen an Hig Tech für alle medizinischen Probleme sind einfach Illusionen und zu unrealistisch.

#1 |
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