Eine potenzielle Therapie für Kinder mit Fontan-Zirkulation – Generation eines tubulären Herz-Konstruktes

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, ein funktionelles und stabiles tubuläres Herzkonstrukt zu generieren. Der Hintergrund dieses Projekts bezieht sich auf Kinder mit einem angeborenen Herzfehler, dem sogenannten hypoplastischen Linksherzsyndrom (HLHS). Bei diesem fehlen wichtige Strukturen der linken Herzkammer oder sind nur hypoplastisch ausgebildet. Die am häufigsten angewandte Therapie ist ein palliativer Eingriff, genannt Fontan-Operation. Bei dieser wird eine univentrikuläre Zirkulation geschaffen. Das aus dem Körperkreislauf kommende verbrauchte venöse Blut wird hierbei passiv an einer aktiv pumpenden Kammer vorbeigeleitet und direkt in die Pulmonalarterien befördert. Das Verbindungsstück zwischen der Hohlvene und der Pulmonalarterie ist ein nicht kontraktiler Tunnel aus Kunststoff. Durch den passiven Fluss staut sich das Blut in das zentralvenöse System zurück. Zudem ist der alleinige Systemventrikel durch das erhöhte Volumen überlastet. Die Langzeitprognose der Patienten ist durch zahlreiche Folgekomplikationen weiterhin schlecht. Ein tunnelförmiges Konstrukt aus künstlichem Herzmuskelgewebe (EHT) könnte anstelle der Kunststoffprothese aktiv Kraft aufbringen und somit die Hämodynamik der Patienten deutlich verbessern. Die Herstellung von künstlichem Herzmuskelgewebe mit einer komplexen Struktur, wie einem tubulären Konstrukt, steht jedoch noch vor großen Herausforderungen. Bisher konnten nur kleine tubuläre Konstrukte mit einer dünnen Wand und einem kleinen Innendurchmesser hergestellt werden. Im Zuge dieser Arbeit wurden verschiedene Formate für die Kultivierung von tubulären EHTs getestet. Für die Herstellung von EHTs wurden humane induzierte pluripotente Stammzell-abgeleitete Kardiomyozyten in eine Hydrogelmatrix eingebracht. Im ersten Teil wurden tubuläre EHTs in einem vertikal ausgerichteten Format um Silikonsäulen kultiviert. In diesem Format konnte keine Formstabilität erreicht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden EHTs in einer horizontalen Ausrichtung um einen Silikonschlauch unter pulsatiler Perfusion kultiviert. In diesem Format zeigten sich die EHTs formstabil (Länge: 1,5 cm) und konnten nach 21 Tagen in Kultur Druck gegen eine Wassersäule aufbringen (zirka 0,2 mmHg, max. 0,3 mmHg). Dieser Druck befand sich in einem klinisch nicht relevanten Bereich, war aber vergleichbar mit anderen Arbeiten zu tubulären EHTs. Zudem konnten die EHTs einem Berstdruck von mindestens 25 - 30 mmHg standhalten und folgten einer elektrischen Stimulation bis 2,75 Hz. Im Vergleich zu anderen Studien zeigten die hier generierten EHTs eine stabilere Struktur und einen großen Innendurchmesser (6 mm) mit hohen Wandstärke (zirka 1 mm). Dies könnte für eine potenzielle Implantation und Testung am Tiermodell von Vorteil sein. Morphologisch war ein größerer Anteil an Zellen unreif und nicht einheitlich angeordnet. Für zukünftige Studien müsste die Kontraktionskraft der EHTs weiter erhöht werden, um einen Blutfluss zielgerichtet befördern zu können. Hierfür müssten vor allem die Reife und Ausrichtung der Zellen im Kulturformat optimiert werden.