Tissue Engineering in der Herz-, Thorax- und Gefässchirurgie
Seit einigen Jahren widmet sich die experimentelle Forschung im DHZB dem faszinierenden Gebiet der künstlichen Züchtung komplexer Gewebe (Tissue Engineering).
Herstellung von Herzklappenersatzprothesen unter Verwendung autologer Zellen
In der Herzchirurgie finden derzeitig mechanische oder biologische Klappenprothesen Verwendung. Diese zeigen eine befriedigende Funktionsfähigkeit, bestehen jedoch aus Fremdmaterial und haben den gemeinsamen Nachteil, dass sie nicht mitwachsen können. Dies ist besonders bei Kindern und Jugendlichen ein schwerwiegender Nachteil, da diese aus dem Klappenersatz „herauswachsen“ und somit mehrerer Korrekturoperationen bedürfen. Diese Stellen nicht nur für die Patienten ein Risiko dar, sondern belasten darüber hinaus die gesamte Familie. Eine potentielle Lösung dieser Probleme könnte die in vitro Züchtung von kardiovaskulärem Ersatzgewebe, das Tissue Engineering (TE), sein. Das grundsätzliche Prinzip des TE besteht darin, körpereigene (autologe) Zellen zu verwenden, um damit ein vitales, funktionsfähiges Ersatzgewebe zu fertigen, welches das Potential hat, sich in das umgebende Gewebe zu integrieren und mitzuwachsen und damit eine lange Lebensdauer aufweist (Abb. 1).
Abb.1: Schematische Darstellung des Tissue Engineering Prinzips.
Dieses Konstrukt aus humanen Zellen und einem Trägermaterial, z.B. einem biodegradierbaren Polymer, muss unter optimalen in vitro Bedingungen hergestellt werden, um es anschliessend erfolgreich in denselben Patienten implantieren zu können.
Ein besonderer Forschungsschwerpunkt unseres Labors am Deutschen Herzzentrum Berlin (DHZB) ist die Auswahl einer geeigneten Zellquelle. Da man nicht auf Herzklappenbiopsien zurückgreifen kann, muss eine Zellquelle verwendet werden, die eine grosse Ähnlichkeit zu den Herzklappenzellen aufweist. Wir konnten in den letzten Jahren erfolgreich humane vaskuläre Nabelschnurschnurzellen als autologe Zellquelle für das kardiovaskuläre TE evaluieren. Die Nabelschnur wird nach der Geburt als überflüssiges Gewebe verworfen und besitzt mehrere Gefässe von grosser Länge, so dass eine sehr hohe Anzahl an vaskulären Zellen daraus gewonnen werden kann ohne dem Patienten einen zusätzlichen Eingriff zuzumuten. Diese Zellen können bei Bedarf in flüssigem Stickstoff eingelagert werden, bis der geeignete Zeitpunkt einer Operation festgelegt wird (Abb.2).
Abb.2: Kryokonservierung vaskulärer Nabelschnurzellen
In unserem Labor wurden die vaskulären Nabelschnurzellen eingehend mit immunhistologischen und molekular-biologischen Methoden charakterisiert. Eine besondere Zielgruppe für einen möglichen Einsatz dieser Zellen sind Neugeborene mit angeborenen Herzklappenfehlern. Für ältere Kinder und Jugendliche sollen geeignete Zellen (mesenchymale Vorläuferzellen) aus dem eigenen Knochenmark isoliert und für die Herstellung von Herzklappen verwendet werden.
Ein weiterer Schwerpunkt unseres Labors ist die Weiterentwicklung sogenannter „Besiedelungseinheiten“ und „Bioreaktoren“, in denen durch mechanische Einwirkungen das Herzklappenkonstrukt konditioniert wird. Durch die Drehung der Besiedelungseinheit in verschiedene Richtungen ist es möglich, die Zellen gleichmässig auf ein Trägermaterial aufzubringen (Abb.3).
Abb.3: Aufbau einer Besiedelungseinheit: (1) Antriebsrad; (2) Stativ mit Rollen; (3) Plexiglaskugel; (4) Einfüllöffnung für die Zellsuspension; (5) Deckel; (6) Zylinder aus Plexiglas.
Dies ist die Voraussetzung für die Bildung eines gewebeähnlichen Zellverbandes auf einer komplexen 3D-Struktur wie der einer Herzklappe. Durch den Einfluss von Druck und Fluss in einem Bioreaktor richten sich die Zellen in eine Richtung aus und die Bildung von extrazellulären Matrixproteinen wird begünstigt, welche für die Entwicklung von Zellgewebe von sehr grosser Bedeutung sind (Abb.4).
Abb.4: Versuchsaufbau eines Bioreaktors.
Parallel zu diesem Forschungsschwerpunkt müssen die in vitro Bedingungen für die Herstellung einer „tissue engineerten“ Herzklappe immer wieder modifiziert und optimiert werden, um den Zellen das grösstmögliche Nährstoffangebot zu gewährleisten und somit das Herstellungsverfahren zu beschleunigen. So soll in Zukunft eine humane, vitale Herzklappe bestehend aus autologen Zellen und mit dem Potential zu wachsen, Einsatz in der Herzchirurgie finden.
Unser Team
Das Labor für Tissue Engineering ist seit dem Jahr 2000 Teil der Abteilung für Herz-, Thorax- und Gefässchirurgie unter Leitung von Prof. Dr.med.Dr.mult. h.c. Hetzer. Zu der Arbeitsgruppe gehören:
Dr. rer.nat. Cora Lüders-Theuerkauf (Leitung): lueders@dhzb.de; 030 4593 2164
Frau Dipl. Ing. Anne Reichardt: areichardt@dhzb.de; 030 4593 2154/ 2163/ 2164
Frau Dipl. Biol. Navid Dehdashti-Zadeh : 030 4593 2154/ 2163/ 2164
Frau Nora Döhnert: doehnert@dhzb.de; 030 4593 2154/ 2163/ 2164
Herr Marco Lux: 030 4593 2154/ 2163/ 2164
In Zusammenarbeit mit den Chirurgen des DHZB werden Diskussionen und Planungen durchgeführt:
PD Dr. med. Christof Stamm
Darüber hinaus bestehen Kooperationen mit verschiedenen nationalen und internationalen Arbeitsgruppen.
