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Aug 31, 2023

Nanodrahtgerüst unterstützt künstliches Herzgewebe

Mithilfe eines Gerüsts aus leitfähigen Silizium-Nanodrähten haben Forscher in den USA künstliches Herzgewebe entwickelt, das ihrer Meinung nach problemlos in natürliches Gewebe transplantiert werden könnte. Unter der Leitung von Ying Mei

Mithilfe eines Gerüsts aus leitfähigen Silizium-Nanodrähten haben Forscher in den USA künstliches Herzgewebe entwickelt, das ihrer Meinung nach problemlos in natürliches Gewebe transplantiert werden könnte. Unter der Leitung von Ying Mei von der Clemson University hofft das Team, dass seine Technik die weltweiten Bemühungen zur Behandlung von Herzerkrankungen grundlegend verändern könnte.

Zusammengenommen sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen weltweit die häufigste Todesursache und fordern nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation jedes Jahr schätzungsweise 17,9 Millionen Todesopfer. Einer der Hauptgründe dafür, dass diese Erkrankungen so weit verbreitet sind, besteht darin, dass Herzzellen bei einer Schädigung nur begrenzt in der Lage sind, sich selbst zu regenerieren, was es für Forscher besonders schwierig macht, wirksame Behandlungen zu entwickeln.

Zu den vielversprechendsten Fortschritten in der Herzkrankheitsforschung gehört die Verwendung von aus Stammzellen gewonnenen Herzzellen, die normalerweise direkt in den geschädigten Herzmuskel injiziert werden. Bisher wurde diese Technik zur Wiederherstellung der Herzkontraktion bei verschiedenen Tierarten eingesetzt – eine medizinisch sinnvolle Behandlung ist jedoch noch weit entfernt. Zu den Faktoren, die diese Technik behindern, gehören die geringe Überlebensrate der injizierten Zellen und eine begrenzte Wiederherstellung der vollen Funktion des Herzens – insbesondere des regelmäßigen Rhythmus seiner Kontraktion.

In jüngster Zeit wurden Fortschritte bei der Stammzellbehandlung für eine Vielzahl anderer Organe erzielt, darunter Gehirn, Lunge und Netzhaut. Jede dieser Studien beinhaltete die Transplantation von Organoiden. Dabei handelt es sich um miniaturisierte, organähnliche Strukturen, die im Labor aus Stammzellen gezüchtet werden können und die Struktur und Funktion eines echten Organs nachbilden.

Obwohl sich Herzorganoide bereits als hervorragende Plattform zur Modellierung von Herzerkrankungen und zum Testen neuer Medikamente erwiesen haben, bedarf ihr Potenzial zur Behandlung von Herzerkrankungen noch weiterer Untersuchung.

In ihrer Studie untersuchte Meis Team, ob Herzorganoide dazu gebracht werden können, sich in regelmäßigen Rhythmen zusammenzuziehen, indem das Gewebe in Gerüsten aus elektrisch leitenden Silizium-Nanodrähten wachsen gelassen wird.

In biologischen Anwendungen bietet Silizium im Vergleich zu anderen leitfähigen Nanomaterialien zahlreiche Vorteile. Durch eine Reihe von Tests an Herzgewebe von Ratten zeigte das Team, dass das Material biokompatibel und biologisch abbaubar ist, eine leicht einstellbare Leitfähigkeit sowie leicht anpassbare Abmessungen und Oberflächen aufweist – allesamt entscheidend für die Gewährleistung der größtmöglichen Erfolgsaussichten für eine Studie implantiertes Organoid.

Durch einen sorgfältig kontrollierten Prozess schufen Mei und Kollegen ein Organoid aus einer Mischung aus aus Stammzellen gewonnenen Herzzellen, stromalen Bindegewebszellen und Endothelzellen – die die Wände von Blutgefäßen auskleiden.

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Im Experiment versammelten sich diese Zellen um ein vorgefertigtes Siliziumgerüst und bildeten ein nanoverdrahtetes Organoid. Wie das Team gehofft hatte, erfüllte dieses Miniaturgewebe viele der wichtigsten Funktionen des Herzens, einschließlich seines regelmäßigen Kontraktionsrhythmus.

Als die Forscher ihre nanoverdrahteten Organoide in Rattenherzen injizierten, verzeichneten sie im Vergleich zu unverdrahteten Organoiden eine weitaus höhere Überlebensrate der Zellen. Dies beschleunigte die Entwicklung seiner Stammzellen zu gesundem, gut funktionierendem Herzgewebe.

Meis Team hofft, dass seine Forschung ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu praktikablen neuen Behandlungen für Herzerkrankungen sein könnte. Wenn der gleiche Erfolg mit aus menschlichen Stammzellen gezüchteten Organoiden erzielt werden kann, könnte dies den Weg für Behandlungen ebnen, die es dem Herzgewebe von Patienten ermöglichen, sich zu regenerieren und seine volle Funktion wiederherzustellen. Im Gegenzug könnte der Einsatz von Silizium-Nanodrahtgerüsten letztendlich zu neuen Behandlungen führen, die auf verschiedene Arten von Herzerkrankungen zugeschnitten sind und das Potenzial haben, Millionen von Leben zu retten.

Die Forschung wird in Science Advances beschrieben.