Funktionelle Optimierung und Ausreifung von künstlichem Herzmuskelgewebe durch kontinuierliche elektrische Stimulation

Abstract

Spontan schlagende künstliche Herzmuskelgewebe (Engineered Heart Tissues = EHTs) sind ein zukunftsweisendes in vitro Modell für präklinische Medikamentenstudien und die Untersuchung kardialer Erkrankungen. Allerdings sind Kardiomyozyten in EHTs unreif und entwickeln geringere Kräfte als im nativen Herzen. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Pacing-System entwickelt, das mit einer etablierten video-optischen Messung zur Erfassung der kontraktilen Eigenschaften der EHTs kompatibel ist. Es wurde untersucht, inwiefern eine dauerhafte elektrische Stimulation die Eigenschaften der EHTs verbessert. Die Gewebe wurden aus Kardiomyozyten neugeborener Ratten (rEHT, n = 96) oder aus Kardiomyozyten, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) generiert wurden (hEHTs, n = 19), hergestellt. Die elektrische Stimulation mit biphasischen Impulsen wurde am vierten Tag der Kultur gestartet. Die rEHTs entwickelten nach 16-18 Tagen dauerhafter Stimulation mit 0,5 Hz 2,2-fach höhere Kräfte als die unstimulierten rEHTs. Die Kardiomyozytendichte im Zentrum der stimulierten rEHTs nahm zu, die Connexin-43-Moleküle waren in der Multiphoton-Mikroskopie dichter und ihre Intensität höher. Die Ultrastruktur der Sarkomere zeigte sich in der Elektronenmikroskopie mit regelmäßigen M-Banden deutlich entwickelter. Auch die Ergebnisse der genomweiten Expressionsanalyse ließen sich mit der besseren Funktion und Struktur der EHTs in Einklang bringen. Weitere Zeichen der Ausreifung waren eine Rechtsverschiebung (zu physiologischeren Werten) der Kalzium-Konzentrations-Wirkungs-Kurve, die gesteigerte Kraftzunahme als Antwort auf Isoprenalin und die Abnahme der spontanen Kontraktionsaktivität. Humane EHTs, die für eine Woche mit 2 Hz und anschließend mit 1,5 Hz stimuliert wurden entwickelten 1,5-fach höhere Kräfte als nicht stimulierte hEHTs. Die Gewebe zeigten am Tag 14 der Kultur ein verbessertes muskuläres Netzwerk, bestehend aus longitudinal ausgerichteten Kardiomyozyten und einer höheren Plasma-Kern-Relation. Das Fractional Shortening von rEHTs und hEHTs nahm durch die elektrische Stimulation zu. Zusammenfassend führt die dauerhafte elektrische Stimulation zu einer verbesserten Funktionalität und Ausreifung der rEHTs und hEHTs, wie sie bisher noch nicht gezeigt wurde. Das dauerhafte Pacing der künstlichen Herzmuskelgewebe stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung voll ausgereifter EHTs dar.