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Das Herz schlägt heller

Vision Herzschrittmacher mit optischer Steuerung

Von Martina Preiner

Noch verbinden sich eingepflanzte Schrittmacherzellen nicht mit dem Herzgewebe.
Noch verbinden sich eingepflanzte Schrittmacherzellen nicht mit dem Herzgewebe. (Caesar)

In einem gesunden Herz sorgen besondere Schrittmacherzellen für das regelmäßige Schlagen des Organs. Mit abgewandelten Zellen, die durch Licht angeregt werden können, wollen US-Forscher die Basis für neuartige Schrittmacher bei Herzerkrankungen legen.

70 Mal schlägt das Herz eines Erwachsenen pro Minute im Ruhezustand. Und sie geben den Takt des Herzens vor: Schrittmacherzellen. Es sind Herzmuskelzellen, die eine besondere Fähigkeit besitzen: Sie ziehen sich von selbst zusammen. Nach ihrem Rhythmus richten sich alle anderen Herzmuskelzellen. Dass es beispielsweise nach einem Herzinfarkt zu Herzrhythmusstörungen kommt, liegt oftmals daran, dass zu viele Schrittmacherzellen zerstört wurden oder nicht mehr richtig funktionieren. Ein künstlicher Herzschrittmacher muss dann diese Aufgabe übernehmen. Aber:

"Es gibt mit den elektrischen Herzschrittmachern tatsächlich viele Probleme, die wir so akzeptieren, weil es keine Alternative gibt. Der sitzt ja direkt auf dem Herzmuskel! Und der Herzmuskel hebt sich jede Sekunde um ein, zwei Zentimeter und das ist natürlich mechanisch gesehen eine wahnsinnige Dauerbelastung."

Ellen Kuhl, Professorin für Bioingenieurwesen an der Universität Stanford, arbeitet zusammen mit dem Mediziner und Ingenieur Oscar Abilez an Schrittmachern, die sich nicht an der Herzwand reiben. Dazu orientierten sie sich weniger an Elektrotechnik als am Körper selbst: abgewandelte Schrittmacherzellen statt Herzschrittmacher aus Metall. Als Ausgangspunkt dient die Stammzellforschung. Dort versucht man seit Jahren Stammzellen zu Herzzellen umzuprogrammieren, um sie dann in ein geschädigtes Herz implantieren zu können. Oscar Abilez.

"Es ist ein langfristiges, sogar sehr langfristiges Ziel aus Stammzellen nicht nur einzelne Herzzellen herzustellen, sondern sie zu einem ganzen Herzgewebe zu verbinden. Und dann hätten wir immer noch das Problem, dass sich die künstlichen Zellen nicht einfach in das schlagende Herz eines Patienten integrieren, also mit dem Herzen verschmelzen."

Abilez hofft, dass seine Arbeit irgendwann helfen kann, Herzzellen in ein geschädigtes menschliches Herz einzupflanzen. Die Schrittmacherzellen, die er aus Stammzellen herstellt, sind außergewöhnlich. Betrachtet man eine davon unter dem Mikroskop, sieht man, wie sie sich ganz von alleine zusammenzieht und wieder entspannt. Doch bestrahlt Abilez die Zelle kurz mit einer blauen Lichtquelle, hört sie schlagartig auf, zu pulsieren. Dasselbe funktioniert auch umgekehrt. Abilez hat mithilfe seiner Kooperationspartner Herzzellen geschaffen, die er aus- und einschalten kann. Das heißt: Er gibt den Taktgebern den Takt vor. Er hat die Zellen genetisch so verändert, dass sie nicht nur elektrische, sondern auch optische Signale umwandeln. Eine so genannte optogenetische Steuerung.

"Ein möglicher Vorteil dieser optogenetischen Zellen wäre, dass wir die Schrittmacherzellen, die wir implantieren wollen, sehr leicht auf die Pulsfrequenz des Empfängerherzens abstimmen könnten. Und wenn natürliche und künstliche Herzzellen synchron schlagen, würden letztere vielleicht auch letztendlich in das Herzgewebe integriert."

Denn erst wenn sich die eingepflanzten Schrittmacherzellen mit dem Herzgewebe verbinden, wären sie dazu in der Lage, dem Herzen tatsächlich den Takt vorzugeben. Wenn das irgendwann einmal funktioniert, wäre der Weg zum Lichtherzschrittmacher nicht mehr weit. Dieser müsste dann nicht wie ein heute üblicher Herzschrittmacher auf der Herzwand aufliegen, um die Zellen zu steuern. Die Lichtquelle hätte die Schrittmacherzellen auch von weiter weg unter Kontrolle. Im Idealfall könnte die Lichtquelle sogar außerhalb des Körpers liegen.

"Ich glaube, das ist die Supervision, die uns alle antreibt. Das ist jetzt nichts, was man die nächsten zwei, drei Jahre machen kann, das sind vielleicht fünf bis zehn Jahre. Und es mag auch sein, dass da jetzt noch Probleme auftauchen, die wir jetzt noch nicht sehen."

Doch bis dahin erwecken Ellen Kuhl und ihre Kollegen den optischen Herzschrittmacher zumindest in Computersimulationen vom menschlichen Herzen zum Leben. Dabei nehmen die Forscher an, dass sich die durch Licht gesteuerten Schrittmacherzellen komplett in das Herzgewebe integriert haben. Und virtuell bleibt immerhin schon einmal alles im Takt.

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