Wissenschaftler haben ein dreidimensionales „Heart-on-a-Chip“ (HOC) entwickelt, das menschliches Herzgewebe mit beispielloser Genauigkeit nachahmt und möglicherweise die Art und Weise revolutioniert, wie Herz-Kreislauf-Medikamente getestet und Herzerkrankungen behandelt werden. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die Todesursache Nummer eins, und diese Technologie behebt einen kritischen Engpass: die Schwierigkeit, Medikamente sicher zu testen und Herzreaktionen zu verstehen, ohne Menschenleben zu riskieren.
Das Problem mit aktuellen Testmethoden
Traditionell erfordert die Beurteilung, wie sich ein Medikament oder eine Krankheit auf das Herz auswirkt, entweder Tiermodelle (die sich nicht immer gut auf den Menschen übertragen lassen) oder klinische Studien mit echten Patienten. Dieses neue HOC bietet einen Mittelweg: ein funktionelles, schlagendes Herzgewebe, das in einem Labor hergestellt wurde und vorhersehbar auf Medikamente reagieren kann. Die wichtigste Innovation ist die Fähigkeit, die Aktivität sowohl auf gewebeweiter als auch auf zellulärer Ebene in Echtzeit zu überwachen.
Früheren HOCs fehlte diese hochauflösende Erfassung, was bedeutete, dass sie subtile Veränderungen in einzelnen Herzzellen nicht zuverlässig erkennen konnten – ein entscheidender Faktor, da viele Herzerkrankungen mit Funktionsstörungen auf mikroskopischer Ebene beginnen.
So funktioniert das „Heart-on-a-Chip“.
Das Forschungsteam kanadischer Institutionen erstellte das HOC unter Verwendung von Herzmuskel- und Bindegewebszellen, die von Ratten gewonnen wurden. Diese Zellen wurden in eine wachstumsfördernde Gelmatrix eingebettet und auf flexible Siliziumchips ausgesät. Das System umfasst zwei Sensortypen:
- Sensoren im Makromaßstab: Elastische Säulen verformen sich bei jedem Herzschlag und messen die gesamte Kontraktionskraft.
- Sensoren im Mikromaßstab: Winzige Hydrogeltröpfchen (50 Mikrometer groß) erfassen lokale mechanische Spannungen auf zellulärer Ebene.
Diese Dual-Sensing-Plattform ermöglicht es Wissenschaftlern zu sehen, wie zellerzeugte Kräfte das Gewebeverhalten beeinflussen, einschließlich Wachstum, Heilung und sogar das Fortschreiten von Krebs. Das Team demonstrierte erfolgreich die Funktionalität des HOC, indem es es mit Noradrenalin (zur Steigerung der Herzaktivität) und Blebbistatin (zur Verringerung) behandelte, die beide die erwarteten Reaktionen hervorriefen.
Warum das wichtig ist: Präzisionsmedizin für Herzerkrankungen
Dieser Durchbruch hat unmittelbare Auswirkungen auf die Arzneimittelentwicklung. Das HOC kann jetzt zum Screening von Verbindungen vor Versuchen am Menschen verwendet werden, wodurch der Prozess beschleunigt und das Risiko verringert wird. Noch wichtiger ist, dass es die Tür zur personalisierten Medizin öffnet: der Möglichkeit, die eigenen Zellen eines Patienten mit verschiedenen Behandlungen zu vergleichen, um die wirksamste Option zu ermitteln, bevor Medikamente verschrieben werden.
„Dieser Durchbruch bringt uns der echten Präzisionsgesundheit noch näher“, sagt Houman Savoji, ein leitender Forscher. „Indem wir die Möglichkeit haben, für jede Person das wirksamste Medikament zu ermitteln, bevor überhaupt eine Behandlung verabreicht wird.“
Zukünftige Richtungen
Das Team plant, spezifische Herzerkrankungen wie dilatative Kardiomyopathie und Arrhythmien zu simulieren, indem es Zellen von Patienten mit diesen Erkrankungen verwendet. Dies wird realistischere Tests ermöglichen und möglicherweise zu gezielten Therapien führen. Das „Heart-on-a-Chip“ stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung einer Zukunft dar, in der Herzbehandlungen auf individuelle Bedürfnisse zugeschnitten sind, die Ergebnisse verbessern und die globale Belastung durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen verringern.
