Herzinfarkte und kongestive Herzinsuffizienz gehören trotz vieler Durchbrüche in der Herz-Kreislauf-Medizin nach wie vor zu den größten gesundheitlichen Herausforderungen der Nation. Trotz erfolgreicher Ansätze zur Vorbeugung oder Begrenzung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen bleibt die Wiederherstellung der Funktion des geschädigten Herzens eine gewaltige Herausforderung. Jüngste Forschungsergebnisse liefern erste Hinweise darauf, dass adulte und embryonale Stammzellen in der Lage sein könnten, geschädigte Herzmuskelzellen zu ersetzen und neue Blutgefäße zu deren Versorgung zu bilden. Hier werden einige der jüngsten Entdeckungen vorgestellt, die Strategien zum Ersatz von Stammzellen und zur Muskelregeneration für die Reparatur des geschädigten Herzens beinhalten.

Einführung

Für Menschen, die an häufigen, aber tödlichen Herzkrankheiten leiden, stellt die Stammzellenbiologie eine neue medizinische Möglichkeit dar. Forscher arbeiten daran, mit Hilfe von Stammzellen geschädigte Herzzellen zu ersetzen und die Herzfunktion buchstäblich wiederherzustellen.

Heute leiden in den Vereinigten Staaten 4,8 Millionen Menschen an kongestiver Herzinsuffizienz – der ineffektiven Pumpleistung des Herzens, die durch den Verlust oder die Funktionsstörung von Herzmuskelzellen verursacht wird – und jedes Jahr treten 400.000 neue Fälle auf. Eine der Hauptursachen für die Entwicklung dieser Erkrankung ist ein Herzinfarkt, der medizinisch als Myokardinfarkt bezeichnet wird und jedes Jahr bei fast 1,1 Millionen Amerikanern auftritt. Es ist leicht zu erkennen, dass Beeinträchtigungen des Herzens und des Kreislaufsystems eine der Hauptursachen für Tod und Behinderung in den Vereinigten Staaten darstellen.

Was führt zu diesen verheerenden Auswirkungen? Die Zerstörung von Herzmuskelzellen, den so genannten Kardiomyozyten, kann die Folge von Bluthochdruck, chronischer Mangeldurchblutung des Herzmuskels aufgrund einer koronaren Herzkrankheit oder eines Herzinfarkts sein, also des plötzlichen Verschlusses eines Blutgefäßes, das das Herz mit Sauerstoff versorgt. Trotz der Fortschritte bei chirurgischen Verfahren, mechanischen Hilfsmitteln, medikamentöser Therapie und Organtransplantation stirbt mehr als die Hälfte der Patienten mit kongestiver Herzinsuffizienz innerhalb von fünf Jahren nach der ersten Diagnose. Die Forschung hat gezeigt, dass Therapien wie gerinnungsauflösende Medikamente den Blutfluss zu den geschädigten Herzregionen wiederherstellen und das Absterben der Herzmuskelzellen eindämmen können. Die Forscher suchen nun nach Möglichkeiten, weitere Leben zu retten, indem sie Ersatzzellen für abgestorbene oder geschädigte Zellen einsetzen, damit der geschwächte Herzmuskel seine Pumpleistung wiedererlangen kann.

Wie könnten Stammzellen bei der Reparatur des Herzens eine Rolle spielen? Um diese Frage zu beantworten, bauen die Forscher ihre Wissensbasis darüber aus, wie Stammzellen dazu gebracht werden, sich zu spezialisierten Zellen zu entwickeln. Ein wichtiger Zelltyp, der entwickelt werden kann, ist der Kardiomyozyt, die Herzmuskelzelle, die sich zusammenzieht, um das Blut aus der Hauptpumpkammer des Herzens (dem Ventrikel) zu befördern. Zwei weitere Zelltypen sind für ein gut funktionierendes Herz wichtig: die vaskuläre Endothelzelle, die die innere Auskleidung neuer Blutgefäße bildet, und die glatte Muskelzelle, die die Wand der Blutgefäße bildet. Das Herz hat einen großen Bedarf an Blutfluss, und diese spezialisierten Zellen sind wichtig für die Entwicklung eines neuen Netzes von Arterien, um die Kardiomyozyten nach einer Herzschädigung mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Die potenzielle Fähigkeit sowohl embryonaler als auch adulter Stammzellen, sich zu diesen Zelltypen im geschädigten Herzen zu entwickeln, wird nun als Teil einer Strategie zur Wiederherstellung der Herzfunktion bei Menschen mit Herzinfarkt oder kongestiver Herzinsuffizienz erforscht. Es ist wichtig, dass die Arbeit mit Stammzellen nicht mit jüngsten Berichten verwechselt wird, wonach menschliche Herzmuskelzellen nach einem Herzinfarkt eine Zellteilung erfahren können. Diese Arbeit deutet darauf hin, dass verletzte Herzzellen aus einem Ruhezustand in eine aktive Zellteilung übergehen können. Dies unterscheidet sich nicht von der Fähigkeit einer Vielzahl anderer Zellen im Körper, die sich nach einer Verletzung zu teilen beginnen. Es gibt immer noch keinen Beweis dafür, dass es im Herzen echte Stammzellen gibt, die sich vermehren und differenzieren können.

Forscher wissen jetzt, dass Stammzellen unter hochspezifischen Wachstumsbedingungen in Laborkulturschalen dazu gebracht werden können, sich als neue Kardiomyozyten und Gefäßendothelzellen zu entwickeln. Die Wissenschaftler sind daran interessiert, diese Fähigkeit zu nutzen, um Ersatzgewebe für das geschädigte Herz bereitzustellen. Dieser Ansatz hat immense Vorteile gegenüber einer Herztransplantation, insbesondere angesichts des Mangels an Spenderherzen, die für den derzeitigen Transplantationsbedarf zur Verfügung stehen.

Was spricht dafür, dass ein solcher Ansatz zur Wiederherstellung der Herzfunktion funktionieren könnte? Im Forschungslabor verwenden Forscher häufig ein Maus- oder Rattenmodell eines Herzinfarkts, um neue Therapien zu untersuchen (siehe Abbildung 9.1. Nagetiermodell des Myokardinfarkts). Um einen Herzinfarkt in einer Maus oder Ratte zu erzeugen, wird ein großes Blutgefäß, das den Herzmuskel versorgt, abgebunden, wodurch die Herzmuskelzellen nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden. Im vergangenen Jahr haben Forscher, die solche Modelle verwenden, mehrere wichtige Entdeckungen gemacht, die das Interesse an der Anwendung adulter Stammzellen zur Reparatur des Herzmuskels in Tiermodellen für Herzkrankheiten geweckt haben.

Abbildung 9.1. Nagetiermodell des Myokardinfarkts.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Kürzlich berichteten Orlic und Kollegen über eine experimentelle Anwendung hämatopoetischer Stammzellen zur Regeneration des Herzgewebes. In dieser Studie wurde bei Mäusen ein Herzinfarkt ausgelöst, indem ein großes Blutgefäß, die linke Hauptkoronararterie, abgebunden wurde. Durch die Identifizierung einzigartiger zellulärer Oberflächenmarker isolierten die Forscher dann eine ausgewählte Gruppe erwachsener primitiver Knochenmarkszellen mit einer hohen Kapazität, sich in Zellen verschiedener Typen zu entwickeln. Nach Injektion in die geschädigte Wand der Herzkammer führten diese Zellen zur Bildung neuer Kardiomyozyten, Gefäßendothelien und glatter Muskelzellen und erzeugten so de novo Myokard, einschließlich Koronararterien, Arteriolen und Kapillaren. Neun Tage nach der Transplantation der Knochenmarkzellen nahm das neu gebildete Myokard 68 Prozent des geschädigten Teils der Herzkammer ein und ersetzte somit das tote Myokard durch lebendes, funktionierendes Gewebe. Die Forscher stellten fest, dass Mäuse, die die transplantierten Zellen erhielten, in größerer Zahl überlebten als Mäuse mit Herzinfarkten, die die Mäusestammzellen nicht erhalten hatten. Nun werden Folgeexperimente durchgeführt, um die Analysezeit nach der Transplantation zu verlängern und die längerfristigen Auswirkungen einer solchen Therapie zu ermitteln. Die teilweise Reparatur des geschädigten Herzmuskels deutet darauf hin, dass die transplantierten hämatopoetischen Stammzellen der Maus auf Signale in der Umgebung des verletzten Herzmuskels reagierten. Die Zellen wanderten in die geschädigte Region des Ventrikels, wo sie sich vermehrten und zu “spezialisierten” Zellen wurden, bei denen es sich offenbar um Kardiomyozyten handelte.

In einer zweiten Studie von Jackson et al. wurde gezeigt, dass Herzgewebe im Maus-Herzinfarktmodell durch die Einführung adulter Stammzellen aus dem Knochenmark der Maus regeneriert werden kann. In diesem Modell reinigten die Forscher eine “Seitenpopulation” hämatopoetischer Stammzellen aus einem genetisch veränderten Mausstamm. Diese Zellen wurden dann in das Knochenmark von tödlich bestrahlten Mäusen transplantiert, etwa 10 Wochen bevor die Empfängermäuse einem Herzinfarkt ausgesetzt wurden, indem ein anderes großes Herzblutgefäß, die linke vordere absteigende Koronararterie (LAD), abgebunden wurde. Zwei bis vier Wochen nach der induzierten Herzschädigung lag die Überlebensrate bei 26 Prozent. Wie in der Studie von Orlic et al. zeigte die Analyse der Region um das geschädigte Gewebe in den überlebenden Mäusen das Vorhandensein von Kardiomyozyten und Endothelzellen, die von Spendern stammen. Die in das Knochenmark transplantierten hämatopoetischen Stammzellen der Maus hatten also auf Signale im verletzten Herzen reagiert, waren in die Randregion des geschädigten Bereichs gewandert und hatten sich in verschiedene Gewebetypen differenziert, die für die Herzreparatur benötigt wurden. Diese Studie deutet darauf hin, dass hämatopoetische Stammzellen von Mäusen sowohl durch Transplantation in das Knochenmark als auch durch direkte Injektion in das Herzgewebe in das Herz gelangen können, was eine weitere mögliche therapeutische Strategie zur Regeneration von geschädigtem Herzgewebe darstellt.

Weitere Hinweise auf potenzielle stammzellbasierte Therapien für Herzerkrankungen liefert eine Studie, die gezeigt hat, dass menschliche adulte Stammzellen aus dem Knochenmark in der Lage sind, vaskuläre Endothelzellen zu bilden, wenn sie in Ratten transplantiert werden. Wie in der Jackson-Studie lösten die Forscher einen Herzinfarkt aus, indem sie die LAD-Koronararterie abschnürten. Sie legten großen Wert darauf, eine Population menschlicher hämatopoetischer Stammzellen zu identifizieren, aus denen neue Blutgefäße entstehen. Diese Stammzellen weisen eine Plastizität auf, d. h., sie werden zu Zelltypen, die sie normalerweise nicht sind. Die Zellen wurden verwendet, um neue Blutgefäße im geschädigten Bereich des Rattenherzens zu bilden und die Proliferation bereits vorhandener Gefäße nach dem experimentellen Herzinfarkt anzuregen.

Wie die Stammzellen der Maus können auch diese menschlichen hämatopoetischen Stammzellen unter geeigneten Kulturbedingungen zur Differenzierung in zahlreiche Gewebetypen, einschließlich des Herzmuskels, veranlasst werden (siehe Abbildung 9.2. Herzmuskelreparatur mit adulten Stammzellen). Wenn diese Zellen in den Blutkreislauf injiziert wurden, der zum geschädigten Rattenherz führte, verhinderten sie das Absterben hypertrophierter oder verdickter, aber ansonsten lebensfähiger Herzmuskelzellen und reduzierten die fortschreitende Bildung von Kollagenfasern und Narben. Bei Kontrollratten, die mit einer intakten LAD-Koronararterie operiert wurden, sowie bei LAD-ligierten Ratten, denen Kochsalzlösung oder Kontrollzellen injiziert wurden, nahm die Zahl der Blutgefäße nicht zu. Darüber hinaus konnten die hämatopoetischen Zellen anhand hochspezifischer Zellmarker identifiziert werden, die sie von Kardiomyozyten-Vorläuferzellen unterscheiden, so dass die Zellen allein oder in Verbindung mit Myozyten-Regenerationsstrategien oder pharmakologischen Therapien verwendet werden können. (Mehr über Stammzellmarker siehe Anhang E.i. Wie verwenden Forscher Marker zur Identifizierung von Stammzellen?)

Abbildung 9.2. Herzmuskelreparatur mit adulten Stammzellen

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Aufregende neue Fortschritte bei der Regeneration von Kardiomyozyten werden in der Forschung mit menschlichen embryonalen Stammzellen erzielt. Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich in jeden Zelltyp im erwachsenen Körper zu differenzieren, sind embryonale Stammzellen eine weitere mögliche Ausgangspopulation für Zellen zur Herzreparatur. Der erste Schritt in diese Richtung wurde von Itskovitz-Eldor et al. unternommen, die zeigten, dass humane embryonale Stammzellen sich in Kultur reproduzierbar in embryoide Körper differenzieren können, die aus Zelltypen der drei embryonalen Keimschichten des Körpers bestehen. Zu den verschiedenen Zelltypen gehörten Zellen, die das Aussehen von Kardiomyozyten hatten, zelluläre Marker aufwiesen, die mit Herzzellen übereinstimmten, und unter dem Mikroskop eine ähnliche kontraktile Aktivität wie Kardiomyozyten zeigten.

In Fortsetzung dieser frühen Arbeit zeigten Kehat et al. strukturelle und funktionelle Eigenschaften von Kardiomyozyten im Frühstadium in den Zellen, die sich aus den Embryoidkörpern entwickeln. Die Zellen, die spontan kontrahieren, werden durch die Verwendung von Markern mit Antikörpern gegen die schwere Myosinkette, Alpha-Actinin, Desmin, antinaturietisches Protein und kardiales Troponin – alles Proteine, die im Herzgewebe vorkommen – eindeutig identifiziert. Die Forscher haben eine genetische Analyse dieser Zellen durchgeführt und festgestellt, dass die exprimierten Transkriptionsfaktor-Gene mit Kardiomyozyten im Frühstadium übereinstimmen. Die elektrischen Aufzeichnungen dieser Zellen, die Veränderungen in der Kalzium-Ionen-Bewegung innerhalb der Zellen und die kontraktile Reaktion der Zellen auf die Stimulation durch Katecholamin-Hormone ähnelten den Aufzeichnungen, Veränderungen und der Reaktion, die bei frühen Kardiomyozyten während der Entwicklung von Säugetieren beobachtet wurden. Ein nächster Schritt in dieser Forschung besteht darin, zu prüfen, ob die experimentellen Beweise für die Verbesserung der Ergebnisse nach einem Herzinfarkt bei Nagetieren mit embryonalen Stammzellen reproduziert werden können.

Diese bahnbrechenden Entdeckungen in Nagetiermodellen eröffnen neue Möglichkeiten für die Verwendung von Stammzellen zur Reparatur von geschädigtem Herzmuskel. Die Ergebnisse der oben genannten Studien sind ein zunehmender Beweis dafür, dass sich adulte Stammzellen zu mehr Zelltypen entwickeln können als zunächst angenommen. In diesen Studien scheinen hämatopoetische Stammzellen in der Lage zu sein, sich nicht nur zu Blut, sondern auch zu Herzmuskel- und Endothelgewebe zu entwickeln. Diese Fähigkeit adulter Stammzellen, die zunehmend als “Plastizität” bezeichnet wird, könnte diese adulten Stammzellen zu einem brauchbaren Kandidaten für die Herzreparatur machen. Die hämatopoetischen Stammzellpopulationen der Maus, aus denen diese Ersatzzellen hervorgehen, sind jedoch nicht homogen. Vielmehr werden sie durch spezifische und selektive Stimulationsfaktoren, die das Zellwachstum fördern, mit den gewünschten Zellen angereichert. Somit ist die Ursprungszellpopulation für diese injizierten Zellen nicht identifiziert, und es besteht die Möglichkeit, dass andere Zellpopulationen einbezogen werden, die beim Empfänger eine Abstoßung der transplantierten Zellen hervorrufen könnten. Bei klinischen Anwendungen ist dies ein großes Problem, das jedoch bei den hier beschriebenen Versuchsmodellen nicht so relevant ist, da die Nagetiere so gezüchtet wurden, dass sie genetisch ähnlich sind.

Was bedeutet das für die Ausweitung der Forschung zum differenzierten Wachstum von Ersatzgeweben für geschädigte Herzen? Es gibt einige praktische Aspekte bei der Herstellung einer ausreichenden Anzahl von Zellen für die klinische Anwendung. Die Reparatur eines geschädigten menschlichen Herzens würde wahrscheinlich Millionen von Zellen erfordern. Die einzigartige Fähigkeit embryonaler Stammzellen, sich in Kultur zu vermehren, könnte ihnen einen Vorteil gegenüber adulten Stammzellen verschaffen, da sie in Gewebekulturen eine große Anzahl von Ersatzzellen für Transplantationszwecke liefern. Beim gegenwärtigen Stand der Wissenschaft ist unklar, wie adulte Stammzellen verwendet werden könnten, um genügend Herzmuskel außerhalb des Körpers zu erzeugen, um den Bedarf der Patienten zu decken.

Obwohl die Forscher jetzt wissen, dass adulte und embryonale Stammzellen geschädigtes Herzgewebe reparieren können, müssen noch viele Fragen beantwortet werden, bevor klinische Anwendungen möglich sind. Wie lange werden die Ersatzzellen zum Beispiel noch funktionieren? Spiegeln die Forschungsmodelle mit Nagetieren den Zustand des menschlichen Herzens und die Reaktionen auf die Transplantation genau wieder? Verfügen diese neuen, aus Stammzellen gewonnenen Ersatzkardiomyozyten über die gleichen elektrischen und signalleitenden Fähigkeiten wie native Herzmuskelzellen?

Stammzellen können durchaus als Grundlage für eine künftige Form der “Zelltherapie” dienen. In den derzeitigen Tiermodellen wirkt sich die Zeit zwischen der Verletzung des Herzens und der Verabreichung von Stammzellen auf das Ausmaß der Regeneration aus, und dies hat reale Auswirkungen auf den Patienten, der nach einem Herzinfarkt unvorbereitet in die Notaufnahme eilt. Könnten in Zukunft die Zellen des Patienten geerntet und für eine effiziente Verwendung expandiert werden? Oder können Risikopatienten ihre Zellen im Voraus spenden, so dass die Vorbereitungen für die Verabreichung der Zellen auf ein Minimum reduziert werden? Können diese Stammzellen außerdem genetisch so “programmiert” werden, dass sie direkt an den Ort der Verletzung wandern und sofort die für den Regenerationsprozess erforderlichen Herzproteine synthetisieren? Forscher verwenden derzeit Stammzellen aus allen Quellen, um diese Fragen zu klären, und eröffnen damit eine vielversprechende Zukunft für Therapien zur Reparatur oder zum Ersatz des geschädigten Herzens und zur Bekämpfung der häufigsten Todesursachen in den USA.

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Historischer Inhalt: 17. Juni 2001