Entwicklung bio-inspirierter Strategien zur kardiovaskulären Regeneration

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten Erkrankungen weltweit. In Europa alleine sind schätzungsweise 10 Millionen Menschen betroffen. Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes sind sie für fast jeden zweiten Todesfall in Deutschland verantwortlich [Todesursachen in Deutschland 2007, Statistisches Bundesamt, Fachserie 12, Reihe 4, DESTATIS, 2008]. Ursachen dieser Insuffizienz sind neben pathologischen Veränderungen der Herzklappen akute oder chronische Schäden des Herzmuskels, des Myokards. Die derzeit verfügbaren, meist chirurgischen Ersatzverfahren zur Behandlung des Myokards oder der geschädigten Herzklappen sind trotz modernster Therapieansätze nicht nachhaltig. Zwar ist die Transplantation von Spenderklappen oder der Einsatz künstlicher Herzklappenprothesen bereits klinischer Alltag und hat wesentlich dazu beigetragen, vielen Menschen das Leben zu erhalten, zu verlängern oder deren Lebensqualität zu verbessern. Jedoch verfügt keines der zurzeit verfügbaren Herzklappenmodelle über eine ausreichende, langfristige Biokompatibilität, ein Potenzial zum Wachstum oder zur Selbstreparatur. Das Design optimaler Herzklappenersatzmodelle mit Hilfe des Tissue Engineerings sowie die Konzeption innovativer Therapiestrategien, beispielsweise durch Verwendung von Stammzellen, für die kardiovaskuläre Regeneration stehen deshalb im Fokus unseres Forschungsinteresses.

Herausforderung

Die Verfahren des kardiovaskulären Tissue Engineerings verwenden biokompatible Trägersubstrate, die mit meist körpereigenen (autologen) Zellen besiedelt werden. Als Trägersubstrate werden bisher natürliche und synthetische, bioabbaubare und nicht bioabbaubare Biomaterialien verwendet. Die in aktuellen Studien zur Besiedlung dieser Trägersubstrate verwendeten Zellen werden entweder aus Gefäß- oder Gewebebiopsien isoliert oder als adulte Stamm- und Progenitorzellen einer Vielzahl von Geweben entnommen. Auch wenn die Ergebnisse erster In-vitro-Studien recht vielversprechend waren, deuten die meist unbefriedigenden Langzeitresultate der sich anschließenden In-vivo-Versuche darauf hin, dass sowohl das Konzept des Herzklappen-Tissue-Engineerings als auch die myokardiale Regeneration noch weit von einer klinischen Routineapplikation entfernt sind.

Lösungsansatz

Die Attract-Gruppe identifiziert daher entwicklungsbiologische Prozesse, Zellphänotypen und Matrixproteine, welche die Herzentwicklung steuern. Die Übertragung der gewonnenen Informationen auf das kardiovaskuläre Tissue Engineering soll helfen, optimale Implantate zu generieren.

Kompetenzen

Langjährige Expertise haben wir in der Etablierung zwei- und dreidimensionaler In-vitro-Stammzellkultursysteme unter Verwendung adulter und embryonaler Stammzelltechnologien [2, 3]. Weitere Kompetenzen sind die Analyse von Proteinen und Strukturen der extrazellulären Matrix (ECM) unter Verwendung minimal-invasiver Mikroskopietechnologien [4], die Entwicklung spezifischer Systeme für die Lagerung und Aufbewahrung von Geweben und Organen [5] sowie die Herstellung pluripotenter Stammzellen aus Patientenmaterial. Eine weitere Kernkompetenz ist das Design und die Entwicklung neuartiger Biomaterialien für den Einsatz in der regenerativen medizinischen Forschung [3, 4, 6].