Optimierung geometrischer Formen von künstlich hergestelltem Herzgewebe zur Verbesserung des Zellüberlebens

Abstract

Künstliches Herzgewebe wird heutzutage effizient aus human induzierten pluripotenten Stammzellen generiert und stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung von Patient:innen mit terminaler Herzinsuffizienz dar. Ebenfalls findet es Anwendung in der in-vitro Wirkstofftestung. Um die Nährstoffversorgung im EHT in-vitro zu verbessern, ist die Optimierung der Geometrien obligat und war Ziel der vorliegenden Studie. Die Nährstoffversorgung erfolgt in-vitro ausschließlich per Diffusion, welche in kardialen Ersatzgeweben auf 80-100µm begrenzt ist. Das Oberflächen-Volumen-Verhältnis unterschiedlicher Formen wurde in der vorliegenden Studie mathematisch hergeleitet. Mathematisch wurden drei Geometrien mit unterschiedlichen Oberflächen-Volumen Verhältnissen errechnet. Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Ring- und Infinityform mit gleichem Volumen aber unterschiedlicher Oberflächengröße verglichen. Als Standardform wurde eine Streifenform verwendet, welche als Kontrollstruktur mitanalysiert wurde. Das Zellüberleben wurde in einer Kultivierungsperiode quantitativ mittels RT-PCR-Assays und durchflusszytometrischen Analysen im Intervall von einer Woche überprüft. Darüber hinaus wurde das Zellüberleben in BLI Messungen nach lentiviraler Transduktions visualisiert. Histologien wurden zur qualitativen Beurteilung der Zelldichte und Zellverteilung angefertigt. In der vorliegenden Studie zeigte sich entsprechend der Ausgangshypothese ein besseres Zellüberleben in der Ringform. In RT PCR Methoden (n=8) wurde eine höhere Expression von kardialen Troponin T in der Ringform mit Ct-Wert von 25.851.37 ermittelt, vergleichend lag der Ct-Wert der Infinity-EHTs bei 28.412.34. In FACS Analysen (n=6) wurden 15% mehr kardiales Troponin T positiven Zellen im Ring EHT, mit 73% 12%, im Vergleich zum Infinity EHT mit 58% 11%, *p=0,04 evaluiert. Auch visuell konnte ein höheres Zellsterben in der Infinityform wahrgenommen werden. Die Photonenemission (n=8) lag an Tag sieben im Ring EHT bei 1,14*106 p/s, im Infinity EHT bei 8,47*105 p/s, *p<0,001. In der Histologie konnte die Zellverteilung von Troponin T- und Dystrophin-gefärbter Zellen in den Randbereichen des Gewebes präsentiert werden, mit einer Dichteabnahme im Gewebeinneren. Insgesamt zeigt sich, dass eine Optimierung des Oberflächen-Volumen-Verhältnisses einen positiven Einfluss auf das Zellüberleben im künstlichen Herzgewebe hat. Für eine routinemäßige klinische Anwendbarkeit bestehen jedoch noch signifikante Hürden welche durch weitere Forschungsarbeiten adressiert werden müssen. So stellten eine in vitro- sowie in-vivo Vaskularisierung eine große Hürde dar, um Konstrukte von größerer Dicke, unabhängig von Diffusionsbarrieren herstellen zu können. Des Weiteren stellt sich die Frage des idealen Verfahrens der Kardiomyozytengenerierung. Ein autologer Ansatz mit patienten-spezifischen IPS-Zellen wäre aus immunologischer Sicht wünschenswert, scheint aber aufgrund von großen regulatorischen, zeitlichen und kostentechnischen Einschränkungen als nicht realisierbar. Eine HLA-kompatible IPS-Zell Kardiomyozytentransplantation inklusive Immunsuppression erscheint aus aktueller Sicht als eine realistischere Option.