Einzelnes Gen wandelt Herzzellen in biologische Schrittmacher um

Ein Team in den USA, das eine jahrzehntelange Suche nach einer biologischen Methode zur Korrektur fehlerhafter und versagender Herzschläge erfolgreich durchgeführt hat, ist es gelungen, gewöhnliche Herzzellen durch die Insertion eines einzelnen Gens in Schrittmacherzellen umzuwandeln.
In einem Papier veröffentlicht online vor dem Druck in Natur Biotechnologie Am 16. Dezember beschreiben die Forscher vom Cedars-Sinai-Herzinstitut in Los Angeles, Kalifornien, wie sie mit einem Virus ein einzelnes Gen (Tbx18) in die Herzmuskelzellen injizierten, um sie so umzuprogrammieren, dass sie exakte Replikate hochspezialisierter Schrittmacherzellen wurden .
Senior Autor Hee Cheol Cho, ein Wissenschaftler am Heart Institute, sagt in einer Erklärung:
"Obwohl wir und andere bereits primitive biologische Schrittmacher entwickelt haben, ist diese Studie die erste, die zeigt, dass ein einzelnes Gen die Umwandlung von Herzmuskelzellen in echte Schrittmacherzellen steuern kann."
"Die neuen Zellen erzeugten spontan elektrische Impulse und waren von nativen Herzschrittmacherzellen nicht zu unterscheiden", fügt er hinzu.

Schrittmacherzellen

Das Herz ist ein fein abgestimmtes Instrument, das Blut in einem regulierten Takt oder Rhythmus in den Körper pumpt. Schrittmacher- oder sinuatriale Knoten- (SAN-) Zellen sind spezialisierte Zellen, die hochgeordnete elektrische Impulse zu Herzmuskelzellen erzeugen und senden, um sie rhythmisch kontrahieren zu lassen.
Das von ihnen erzeugte elektrische Signal wird als Sinusrhythmus bezeichnet und kann mit einem Elektrokardiogramm (EKG) aufgezeichnet werden.
Das Herz enthält 10 Milliarden Zellen, aber weniger als 10.000 davon sind Herzschrittmacherzellen.
Ein korrekter und gesunder Sinusrhythmus sorgt dafür, dass sich die beiden oberen und unteren Herzkammern genau zur richtigen Zeit zusammenziehen, um sicherzustellen, dass das Blut ungehindert pumpt, sauerstoffreiches Blut an den Körper schickt und sauerstoffarmes Blut wieder nachfüllt in den Lungen.
Der Sinusrhythmus beginnt im sinuatrialen Knoten (SAN) der rechten oberen Kammer des Herzens, wo Herzschrittmacherzellen gruppiert sind.
Wenn Herzschrittmacherzellen versagen, pumpt das Herz unberechenbar und oft ist die einzige Überlebensmöglichkeit ein elektronischer Herzschrittmacher, aber das kann realistisch nur für Patienten gemacht werden, die gesund genug sind, sich operieren zu lassen.

Von der Herzzelle zur Schrittmacherzelle unter Verwendung eines einzelnen Gens

Die Cedars-Sinai-Forscher verwendeten ein Virus, das manipuliert wurde, um ein einzelnes Gen, das Tbx18-Gen, in Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen) einzuführen, um sie in Schrittmacherzellen umzuwandeln.
Tbx18 spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Schrittmacherzellen im Embryo.
Eine Neuprogrammierung, die neu geschaffenen Schrittmacherzellen, "induzierte SAN-Zellen" oder iSAN-Zellen genannt, wiesen alle Merkmale von nativen Schrittmachern auf und behielten ihre SAN-ähnlichen Merkmale, selbst nachdem die Wirkungen des Tbx18-Gens abgeklungen waren.
Das Team testete die Merkmale sowohl in Zellkulturen (in vitro) und in lebenden Meerschweinchen (in vivo).

Warum diese Studie anders ist

Frühere Studien haben es ermöglicht, Herzschrittmacherzellen aus Herzmuskelzellen herzustellen, und haben Herzschrittmacherzellen produziert, die alleine schlagen können. Aber die modifizierten Zellen waren näher an Herzmuskelzellen als native Schrittmacherzellen.
Andere haben versucht, embryonale Stammzellen zur Herstellung von Schrittmacherzellen zu verwenden. Aber dieser Ansatz birgt das Risiko, Krebszellen zu erzeugen: eine anhaltende Gefahr der Verwendung embryonaler Stammzellen.
Cho und Kollegen scheinen diese Hindernisse mit erstaunlicher Einfachheit vermieden zu haben: Indem sie ein einzelnes Gen direkt in die Herzmuskelzellen einführten, haben sie Schrittmacherzellen produziert, die den nativen ähnlich sind und frei von Krebsrisiken sind.

10 Jahre Arbeit - noch nicht beendet

Die Studie ist der "Höhepunkt von 10 Jahren Arbeit in unserem Labor, um einen biologischen Herzschrittmacher als Alternative zu elektronischen Herzschrittmachern zu bauen", sagt Co-Autor Eduardo Marbán, Direktor des Cedars-Sinai Heart Institute und Mark S. Siegel Family Professor .
Marbán ist auch ein Pionier in der Erforschung der Herzstammzellen und Anfang 2012 veröffentlichten er und sein Team Ergebnisse einer klinischen Studie, in der sie Herzinfarktschäden unter Verwendung von patienteneigenen Stammzellen reparierten, um einen gesunden Herzmuskel nachwachsen zu lassen.
Die Forscher schlagen vor, wenn weitere Studien ihren Ansatz bestätigen es könnte eine Therapie entwickelt werden, bei der Tbx18 direkt in das Herz eines Patienten injiziert wird oder indem Schrittmacherzellen im Labor hergestellt und dann in das Herz des Patienten transplantiert werden.
Eine Therapie, die auf dieser Methode basiert, ist jedoch noch in weiter Ferne, da weitere Studien zum Nachweis der Sicherheit und Wirksamkeit erforderlich wären, bevor klinische Studien am Menschen in Betracht gezogen werden könnten.
Kürzlich verlieh die American Heart Association Cho den renommierten Nachwuchspreis, den Louis N. und Arnold M. Katz-Grundlagenforschungspreis, für seine Arbeit über biologische Schrittmachertechnologie.
Mittel aus dem Heart Stem Cell Center des Cedars-Sinai-Direktoriums, der Herzrhythmusgesellschaft, der Herz- und Schlaganfallstiftung Kanadas, der American Heart Association, dem National Heart, Lung und Blood Institute und der Mark S. Siegel-Familienprofessur, half die Studie zu finanzieren.
Geschrieben von Catharine Paddock