Innovation

Forscher erzeugen Muskelfasern aus der Spraydose

Wissenschaftler sind dem Kunstherz aus körpereigenen Zellen ein Stück näher. Via Sprühverfahren erzeugen sie Muskelfasern.

Bereits nach sieben Tagen verschmelzen die Zellen im Gerüst miteinander und entwickeln sich zu länglichen Muskelfasern (gelb), wie diese eingefärbte elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt. (Foto: Lukas Weidenbacher)

Bereits nach sieben Tagen verschmelzen die Zellen im Gerüst miteinander und entwickeln sich zu länglichen Muskelfasern (gelb), wie diese eingefärbte elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt. (Foto: Lukas Weidenbacher)

Wissenschaftlern der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz ist es gelungen, funktionierende Muskelfasern mit einem Sprühverfahren herzustellen. Mit dieser Methode geben sie Menschen mit Herzinsuffizienz neue Hoffnung. Denn: Wer auf eine Transplantation angewiesen ist, muss meist lange auf ein passendes Spenderorgan warten – manche auch vergebens. Eine elegante Alternative wäre ein künstliches Herz, das nach der Implantation keinerlei Abstoßungsreaktionen im Körper auslöst. Doch um ein solches im Labor nachzubauen, müsste es zunächst gelingen, vielschichtige, lebende Gewebe zu züchten.

Das Projekt „Zurich Heart“ des Forschungsverbundes Hochschulmedizin Zürich, dessen Partner die Empa ist, entwickelt derzeit ein solches Kunstherz. Damit die Pumpe aus dem Labor vom Körper angenommen wird, soll sie – einer Tarnkappe gleich – von menschlichem Gewebe umhüllt und ausgekleidet sein. Bisher ist das Züchten von mehrschichtigen funktionsfähigen Geweben jedoch noch eine große Herausforderung im aufstrebenden Gebiet des „Tissue Engineering“. Empa-Forschern sei es nun gelungen, Zellen in einem dreidimensionalen Kunststoffgerüst zu Muskelfasern heranwachsen zu lassen, so die Empa.

„Das menschliche Herz ist natürlicherweise aus mehreren Lagen unterschiedlicher Gewebe aufgebaut“, sagt Lukas Weidenbacher von der Empa-Abteilung Biomimetic Membranes and Textiles in St. Gallen. Muskelfasern in der Auskleidung spielen hier eine entscheidende Rolle, sorgen sie doch für Stabilität und Flexibilität des stetig schlagenden Herzens. Mehrschichtig wachsende Muskelfasern zu züchten, ist jedoch schwierig, da die Zellen zunächst in ein räumliches Gerüst eingebracht werden müssen. „Zwar ist es möglich, dreidimensionale Gebilde aus Kunststoff zu erzeugen, die dem menschlichen Gewebe stark ähneln, etwa durch das sogenannte Elektrospinning“, so Weidenbacher. Hierbei werden flüssige Polymere als hauchzarte Fäden in der Form natürlicher Gewebe versponnen. Schädliche Lösungsmittel, die für die Methode nötig sind, seien jedoch Gift für die empfindlichen Zellen.

Die Lösung der Empa-Forscher: Sie haben die kostbaren Zellen in schützende Kapseln verpackt. Eine Hülle aus Gelatine enthält jeweils ein bis zwei Zellen. So bleiben die Zellen vor den Lösungsmitteln geschützt. Ein spezielles Sprühverfahren, das sogenannte Elektrospraying, ermöglicht es, die Kapseln in die Poren des gesponnenen Gerüsts einzubringen. „Das Sprayen überstehen die derart geschützten Zellen sehr gut“, so der Materialforscher. Und haben sich die Zellen einmal am Zielort eingenistet, löst sich die gallertige Gelatinekapsel binnen Minuten auf.

Dass es den Zellen in ihrem Kunststoff-Nest gefällt, zeigen Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop: Sobald die Kapseln aufgelöst sind, beginnen die unreifen Vorläuferzellen miteinander zu verschmelzen und zu länglichen Muskelfasern auszureifen. Am Schluss soll eine Struktur entstehen, die natürlichem Muskelgewebe möglichst ähnlich ist. „Da das künstliche Herz permanent vom Blutkreislauf durchspült wird, ist es wichtig, dass die Oberflächen so gestaltet ist, dass sich keine Gerinnsel bilden“, sagt Weidenbacher.

Für die Versuchsreihe haben die Schweizer Forscher unreife Muskelzellen einer Mäuse-Zelllinie verwendet. Die Vorläuferzellen differenzierten sich im Gerüst aus und produzierten Proteine, die typischerweise in Muskeln vorkommen. Das implantierbare Kunstherz soll in Zukunft allerdings mit Zellen bestückt werden, die vom Patienten selbst stammen. So könnte für die Betroffenen ein persönliches Herz gezüchtet werden, dass für die Körperabwehr „unsichtbar“ bleibt.

 

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