Optimierung von künstlichem humanen Herzgewebe als Gewebeersatz

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen weltweit die häufigsten Todesursachen dar. Dabei haben der Myokardinfarkt und die Herzinsuffizienz einen erheblichen Anteil an der Gesamtanzahl kardiovaskulär bedingter Tode. Durch den Myokardinfarkt kommt es angesichts der insuffizienten endogenen Regenerationsfähigkeit des humanen Herzens zu einem irreversiblen Verlust vitalen Myokards und zur Bildung eines nicht-kontraktilen fibrotischen Narbengewebes. Letztlich führt diese Entwicklung häufig zur Entstehung bzw. Progression einer Herzinsuffizienz.

Im Rahmen der regenerativen Medizin werden verschiedene Strategien untersucht, um den irreversiblen Verlust vitalen Myokardgewebes zu ersetzen. Diese Arbeit konzentrierte sich auf die Transplantation von humanen aus induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Kardiomyozyten als potenzielle regenerative Strategie. Es wurden dreidimensionale Herzmuskelkonstrukte, sog. Engineered Heart Tissue (EHT) Patches, zur Transplantation in einem Meerschweincheninfarktmodell etabliert. Durch die Optimierung der EHT-Geometrie wurden 1,5x2,7 cm messende Gewebepatches hergestellt, welche durch die Vergrößerung der geometrischen Verhältnisse auch für eine Gewebeersatztherapie in Großtiermodellen und perspektivisch für klinische Studien geeignet ist. Die hier etablierten EHT-Patches zeigten durch ihre Geometrie und der Integration einer Netzstruktur eine homogene Verteilung der Kardiomyozyten, welche sich insbesondere an Oberflächenstrukturen ausdehnten. Im Hinblick auf die im Kulturverlauf zunehmende Kardiomyozytenreife konnte eine medienabhängige Korrelation nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich insbesondere der Einsatz von Serum und die Etablierung dynamischer Kulturbedingungen hinsichtlich der Zellreife als stimulierend.

Die EHT-Patches sind in der Lage die Transplantation auf infarzierte Meerschweinchenherzen zu überleben und dabei das Narbengewebe partiell zu remuskularisieren. Das Ausmaß der Remuskularisierung variierte stark und hing von den zuvor verwendeten EHT-Kulturbedingungen ab. Die transplantierten Zellen waren trotz organisierter Sarkomerstrukturen unreif. Die im Vergleich zum Empfängermyokard unreife Zellmorphologie wurde durch kleinere Sarkomerlängen (1,73±0,01 μm vs. 1,85±0,02 μm) und Kardiomyozytendurchmessern (6,0±0,45 μm vs. 7,4±0,15 μm) sowie die unorganisierte Connexin-43 Expression deutlich.

Zusammenfassend demonstriert diese Arbeit, dass durch die Optimierung der Geometrie von künstlichem humanen Herzgewebe EHT-Patches zur Transplantation im Kleintiermodell generiert werden können.

Cardiovascular diseases are the leading cause of global mortality. Myocardial infarction and heart failure make up a considerable proportion of the total number of cardiovascular deaths. Since the endogenous regenerative capacity of the human heart is inefficient, myocardial infarction leads to an irreversible loss of vital myocardium, which leads to the formation of non-contractile fibrotic scar tissue and promotes the development and progression of heart failure.

In the context of regenerative medicine, various strategies are being investigated to replace the irreversible loss of vital myocardial tissue. This work focused on human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocyte transplantation as a potential regenerative strategy. The geometry of three-dimensional heart muscle constructs, so-called engineered heart tissue (EHT), was optimized for transplantation in a guinea pig injury model. By optimizing the EHT geometry, tissue patches measuring 1.5x2.7 cm were produced, which ensured the coverage of a myocardial scar in this small animal model. Through to the increase of the geometric proportions the established EHT patches may also be suitable for tissue replacement therapy in large animal models and prospectively for clinical studies. The optimized geometry and the integration of a mesh structure resulted in homogeneously distributed cardiomyocytes, which in particular elongate on the surface areas. With regard to the increasing maturation of cardiomyocytes in the course of the culture, a media-dependent correlation could be demonstrated. Especially, the use of serum and the establishment of dynamic culture conditions were found to improve tissue development.

The EHT patches were able to survive the transplantation on infarcted guinea pig hearts and partially remuscularized the scar tissue. The extent of remuscularization varied widely and was dependent on the previously used EHT culture conditions. The engrafted cardiomyocytes showed characteristics of immature cells. The immature cell morphology of the transplanted cells in comparison to the host myocardium was made clear by the shorter sarcomere lengths (1.73±0.01 μm vs. 1.85±0.02 μm) and cardiomyocyte diameters (6.0±0.45 μm vs. 7.4±0.15 μm) as well as the disorganized connexin-43 expression.

In summary, this work demonstrates that by optimizing the geometry of human engineered heart tissue, EHT patches can be generated for transplantation in small animal models.