Ein biologischer Ersatz für Herzschrittmacher

Etwa 200.000 Menschen in den USA bekommen jedes Jahr einen Herzschrittmacher – aber das Herz durch eine batteriebetriebene Maschine steuern zu können, ist gerade für Kinder alles andere als optimal, weil es wiederholte Operationen erfordert.

Kunstgewebe stellt eine elektrische Verbindung zwischen den Vorhöfen (nicht gezeigt) und den Ventrikeln (links) bereit. Die implantierten Zellen erscheinen allein in Grün, während die Herzzellen in Rot und Grün erscheinen. Solche gewebegefertigten Implantate könnten Herzschrittmacher ersetzen. (Mit freundlicher Genehmigung von Douglas Cowan, Kinderkrankenhaus Boston.)

Nach neuen Erkenntnissen könnten eines Tages Muskelzellen aus patienteneigenem Gewebe zur Behandlung einiger Herzprobleme eingesetzt werden. Wissenschaftler des Children's Hospital Boston haben einen Weg gefunden, Skelettmuskelzellen zu züchten, die, wenn sie in das Herz von Ratten implantiert werden, die lebenswichtigen elektrischen Signale des Herzens übertragen. Die Therapie könnte schließlich Menschen mit Herzrhythmusstörungen helfen.



Wenn das Herz schlägt, werden zunächst elektrische Impulse an der Oberseite des Herzens erzeugt und breiten sich durch den Muskel aus, wodurch sich die oberen Herzkammern zusammenziehen. Das Signal erreicht dann ein kleines Gewebestück, den sogenannten atrioventrikulären (AV) Knoten, und verlangsamt sich für den Bruchteil einer Sekunde, sodass sich die unteren Kammern oder Ventrikel des Herzens mit Blut füllen. Das Signal wird dann an die Ventrikel weitergegeben, wodurch sie sich zusammenziehen können.

Leider geht die Funktion des AV-Knotens manchmal schief. Bei Patienten mit einem so genannten vollständigen Herzblock, der durch einen von mehreren Faktoren ausgelöst werden kann: Herzkrankheit, Entwicklungsfehler oder Verletzung während der Operation, ist der AV-Knoten so stark geschädigt, dass das elektrische Signal nicht vom oberen zum unteren Kammern und das Herz funktioniert nicht richtig.

In das Herz implantierte Herzschrittmacher können das Problem oft beheben – sie spüren das elektrische Signal in der oberen Herzkammer und stimulieren dann die untere Herzkammer, sich zusammenzuziehen. Bei Kindern haben Herzschrittmacher jedoch gewisse Nachteile. Das Kind kann dem Gerät schnell entwachsen und die Batterien müssen alle drei bis fünf Jahre ausgetauscht werden, was wiederholte Operationen erforderlich macht. Wir wollten versuchen, eine [zellulare] elektrische Brücke für Kinder mit AV-Knotenproblemen zu schaffen, sagt Douglas Cowen , ein Zellbiologe am Kinderkrankenhaus, der die neue Studie leitete.

Einer der großen Vorteile einer biologischen Alternative zu einem Herzschrittmacher ist, dass sie mit dem Kind mitwächst, sagt David Lathrop, Leiter der Arrhythmie-Forschungsgruppe am Nationales Herz-Lungen- und Blut-Institut , eine Abteilung der National Institutes of Health in Bethesda, MD.

Auch andere Gruppen entwickeln biologische Alternativen zu Herzschrittmachern. Aber Cowens Technik kann Vorteile bieten, da sie die herzeigenen elektrischen Signale direkt überträgt, anstatt ein neues elektrisches Signal zu erzeugen, wie es ein Herzschrittmacher tut. Der Ansatz, den Cowen verfolgt, ähnelt eher dem normalen Leitungsweg des Herzens, sagt Lathrop. Es ist zu früh, um zu sagen, was jetzt besser ist. Er fügt hinzu, dass beide Techniken weiterentwickelt werden müssen und noch Jahre von der klinischen Erprobung entfernt sind.

Cowen und sein Team nahmen Skelettmuskelzellen von Ratten und übertrugen sie auf ein speziell entwickeltes Kollagengerüst. Im Gerüst richten sich die Zellen in einem Kanal aus und exprimieren ein Protein, das kleine Poren zwischen den Zellen bildet, die es ihnen ermöglichen, elektrische Signale zu übertragen.

Bei der Transplantation von Abschnitten dieses manipulierten Gewebes in Rattenherzen integrierten sich die neuen Zellen in das bestehende Herzgewebe und stellten elektrische Verbindungen mit bestehenden Zellen her. (Die Ratten hatten keinen Herzblock; Cowen sagt, dass Rattenherzen zu klein sind, um Schrittmacher zu haben, die notwendig sind, um eine Ratte mit Herzblock lange genug am Leben zu halten, um die Zellen zu transplantieren.) Die Forscher verwendeten optische Bildgebung des Herzens, um zu zeigen, dass die neuen Zellen waren elektrisch aktiv und bildeten im Wesentlichen einen alternativen Leitungskreis. Die Ergebnisse erscheinen in der Juli-Ausgabe des American Journal of Pathology .

Cowan und Team arbeiten noch an einigen Knicken in der Therapie. Sie müssen ein Zellimplantat entwickeln, das die kurze Zeitverzögerung des AV-Knotens nachahmt, die für die ordnungsgemäße Herzfunktion entscheidend ist. Sie testen nun verschiedene Zelltypen, etwa Stammzellen aus Blut oder Knochenmark, die dazu gebracht werden könnten, sich in eine Zelle zu differenzieren, die eher einer Herzzelle ähnelt. Die Wissenschaftler haben sich zunächst für Skelettmuskelzellen entschieden, weil sie eine leicht zu erwerbende Ressource sind – solche Zellen könnten von Patienten, die einen Herzschrittmacher benötigen, durch eine routinemäßige Muskelbiopsie gewonnen werden und müssen nicht unter besonderen Bedingungen kultiviert werden, wie dies bei Stammzellen der Fall ist .

Die Forscher testen die Therapie auch an größeren Tieren, deren Herzen eher denen des Menschen ähneln. Sie werden bei diesen Tieren einen Herzblock induzieren und ihnen sowohl Herzschrittmacher als auch künstliches Skelettgewebe implantieren, um festzustellen, ob das künstliche Gewebe für den Schrittmacher übernehmen kann.

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Je weniger Hardware Sie in jemanden einsetzen, desto besser, sagt Ivan Vesely, ein biomedizinischer Ingenieur, der sich am Children’s Hospital Los Angeles auf kardiale Gewebezüchtung spezialisiert hat. Wenn also das einzige Problem ein fehlender Leitungsweg ist, ist es sehr sinnvoll zu versuchen, diesen Weg neu zu gestalten, anstatt das ganze Herz einem Herzschrittmacher zu überlassen.

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