Funktionelle Optimierung und Ausreifung von künstlichem Herzmuskelgewebe durch kontinuierliche elektrische Stimulation

Spontan schlagende kunstliche Herzmuskelgewebe (Engineered Heart Tissues = EHTs) sind ein zukunftsweisendes in vitro Modell fur praklinische Medikamentenstudien und die Untersuchung kardialer Erkrankungen. Allerdings sind Kardiomyozyten in EHTs unreif und entwickeln geringere Krafte als im nativen Herzen. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Pacing-System entwickelt, das mit einer etablierten video-optischen Messung zur Erfassung der kontraktilen Eigenschaften der EHTs kompatibel ist. Es wurde untersucht, inwiefern eine dauerhafte elektrische Stimulation die Eigenschaften der EHTs verbessert. Die Gewebe wurden aus Kardiomyozyten neugeborener Ratten (rEHT, n = 96) oder aus Kardiomyozyten, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) generiert wurden (hEHTs, n = 19), hergestellt. Die elektrische Stimulation mit biphasischen Impulsen wurde am vierten Tag der Kultur gestartet. Die rEHTs entwickelten nach 16-18 Tagen dauerhafter Stimulation mit 0,5 Hz 2,2-fach hohere Krafte als die unstimulierten rEHTs. Die Kardiomyozytendichte im Zentrum der stimulierten rEHTs nahm zu, die Connexin-43-Molekule waren in der Multiphoton-Mikroskopie dichter und ihre Intensitat hoher. Die Ultrastruktur der Sarkomere zeigte sich in der Elektronenmikroskopie mit regelmasigen M-Banden deutlich entwickelter. Auch die Ergebnisse der genomweiten Expressionsanalyse liesen sich mit der besseren Funktion und Struktur der EHTs in Einklang bringen. Weitere Zeichen der Ausreifung waren eine Rechtsverschiebung (zu physiologischeren Werten) der Kalzium-Konzentrations-Wirkungs-Kurve, die gesteigerte Kraftzunahme als Antwort auf Isoprenalin und die Abnahme der spontanen Kontraktionsaktivitat. Humane EHTs, die fur eine Woche mit 2 Hz und anschliesend mit 1,5 Hz stimuliert wurden entwickelten 1,5-fach hohere Krafte als nicht stimulierte hEHTs. Die Gewebe zeigten am Tag 14 der Kultur ein verbessertes muskulares Netzwerk, bestehend aus longitudinal ausgerichteten Kardiomyozyten und einer hoheren Plasma-Kern-Relation. Das Fractional Shortening von rEHTs und hEHTs nahm durch die elektrische Stimulation zu. Zusammenfassend fuhrt die dauerhafte elektrische Stimulation zu einer verbesserten Funktionalitat und Ausreifung der rEHTs und hEHTs, wie sie bisher noch nicht gezeigt wurde. Das dauerhafte Pacing der kunstlichen Herzmuskelgewebe stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung voll ausgereifter EHTs dar.