Zellzüchtung in Wunschrichtung

Nanopflaster repariert Herzmuskel

Herzmuskelzellen sorgen dafür, dass sich das Herz zusammenzieht und es so das Blut durch den Körper pumpt. Bei Herzerkrankungen können diese Zellen absterben oder nicht mehr ihre volle Leistung entfalten. Saarbrücker Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie solche Zellen auf einer Nanooberfläche nachzüchten.

Die Abbildung zeigt Herzmuskelzellen, die entlang der vorgegebenen 2-µm-Linien in eine Richtung wachsen. (Foto: Universität des Saarlandes / Karin Kiefer)

Das Besondere: Die Zellen wachsen dabei entlang einer vorgegebenen Richtung. Nur so können sie sich wie im gesunden Gewebe richtig zusammenziehen. Als Nanopflaster könnte die Methode künftig zum Einsatz kommen, etwa um angeborene Herzfehler bei Kindern zu korrigieren, aber auch um Patienten nach einem Infarkt zu behandeln. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nanotechnology“ veröffentlicht.

Rund 60- bis 90-mal schlägt das menschliche Herz in der Minute. Dabei pumpt es rund 5 bis 6 l Blut durch die Adern, bei sportlichen Aktivitäten sogar 20 l und mehr. Damit dies alles funktioniert, müssen die Herzmuskelzellen richtig arbeiten: Hierzu ziehen sie sich blitzschnell und in regelmäßigen Abständen zusammen. „Diese Kontraktionen erfolgen dabei immer in eine vorgegebene Richtung“, sagt Karin Kiefer, die in der Klinik für Kinderkardiologie am Homburger Uniklinikum bei Prof. Hashim Abdul-Khaliq forscht.

Bei einer Erkrankung des Herzmuskels können diese Zellen absterben oder ihre volle Funktion nicht mehr erfüllen. In der Folge ist das Herz nicht mehr so leistungsfähig. Um Betroffene besser zu therapieren, arbeiten Forscher daran, Herzmuskelzellen im Labor zu züchten. Diese könnten dann in das abgestorbene Gewebe transplantiert werden.

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Die Abbildung zeigt eine Aufnahme eines Rasterelektronenmikroskops. Zu sehen sind Herzmuskelzellen, die auf einem Aluminiumplättchen entlang der Linien-Struktur wachsen. (Foto: Universität des Saarlandes / Karin Kiefer)

Das Problem: Mit einem einfachen Wachsen der Zellen alleine ist es nicht getan. „Damit sich die gezüchteten Zellen wie im Herzmuskel gemeinsam zusammenziehen, müssen sie in dieselbe Richtung wachsen“, erklärt Kiefer. „Würde man die Zellen zum Beispiel einfach nur in den Muskel spritzen, würden sie dort kreuz und quer wachsen.“ Gemeinsam mit Forscherkollegen des Leibniz-Instituts für Neue Materialien um Cenk Aktas und Juseok Lee vom Programmbereich CVD/Biooberflächen hat das Team der Saar-Uni eine Art Nanopflaster entwickelt, auf dem die Zellen in eine vorgegebene Richtung wachsen.

Das Pflaster besteht aus einem hauchdünnen Aluminiumplättchen, das mit einer Aluminiumoxidschicht überzogen ist. Das Besondere an den Plättchen ist die Struktur, wie Karin Kiefer erläutert: „Die einzelnen Aluminiumoxid-Komponenten kann man sich wie eine Portion Spaghetti auf einem Teller vorstellen.“ Für ihre Studie haben die Wissenschaftler die Spaghetti-Struktur mit einem Laser bearbeitet und parallel verlaufende Linien hineingeschnitten. Dabei haben sie verschiedene Plättchen erzeugt, deren Linien Abstände zwischen 1 und 8 µm besitzen. Anschließend haben sie die Zellen darauf aufgebracht. Dieses Material wurde bereits vor ein paar Jahren von Saarbrücker Chemikern um Prof. Michael Veith entwickelt. Die Forscher konnten damals bereits nachweisen, dass es für biologische Proben gut verträglich ist.

„Wir konnten zeigen, dass die mit dem Laser bearbeitete Nanostruktur den Herzmuskelzellen eine Wuchsrichtung vorgibt“, kommentiert die Biologin die Ergebnisse. Am besten sind die Zellen in eine gemeinsame Richtung gewachsen, wenn die Linien 2 bis 4 µm breit waren. Bei unbehandelten Plättchen kam es hingegen zu ungeordnetem Wachstum.

In Folgestudien müsste nun geklärt werden, inwieweit sich die so gezüchteten Zellen auch wie natürliche Zellen im Gewebe zusammenziehen können. Darüber hinaus ist denkbar, das Pflaster mit einem Material zu entwickeln, das sich im Körper selber abbaut.

Mediziner könnten das Nanopflaster nutzen, um Kinder zu therapieren, die an einem angeborenen Herzfehler leiden. Mit der Technik könnten etwa Löcher zwischen den Kammern und Vorkammern des Herzens geschlossen werden. Aber auch bei anderen Patienten, beispielsweise nach einem Herzinfarkt, könnte die Methode zum Einsatz kommen.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nanotechnology“ veröffentlicht: Alignment of human cardiomyocytes on laser patterned biphasic core/shell nanowire assemblies. DOI: 10.1088/0957-4484/25/49/495101.

Fragen beantworten:
Dr. Karin Kiefer
Klinik für Kinderkardiologie
Universität des Saarlandes
E-Mail: Karin.Kiefer@uni-saarland.de

Dr.-Ing. Cenk Aktas
INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien
Leiter CVD/Biooberflächen
E-Mail: cenk.aktas@inm-gmbh.de

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