Eine schlagende Niere. (Das Gedankenlabor) Wissenschaftlern ist es gelungen, ein menschliches Bündel zu züchten Stammzellen in ein winziges künstliches „Herz“ von der Größe eines Sesamsamens.
Die pulsierende Masse ist das erste selbstorganisierende Miniaturorgan, das dem menschlichen Herzen ähnelt und eine Hohlkammer enthält, die von einer Wand aus herzähnlichem Gewebe umgeben ist.
Es gab einfache herzähnliche Organe oder Nieren vorher im Labor gebaut , aber nur unter Verwendung eines Gerüsts, einer Form oder einer Matrix, um die sich die Zellen zusammensetzen.
Dieses neue Nierenmodell hat sich spontan entwickelt. Alles, was die Wissenschaftler tun mussten, war, die pluripotenten Stammzellen in ihrer Schale mithilfe von sechs Signalwegen anzulocken, von denen bekannt ist, dass sie die Herzentwicklung im menschlichen Embryo koordinieren.
In anderen Studien ist es gelungen, mithilfe ähnlicher Signaltechniken selbstorganisierende Augenorganoide, selbstorganisierende Gehirnorganoide und selbstorganisierende Darmorganoide zu züchten.
„Es ist nicht so, dass wir etwas anderes verwenden als andere Forscher, sondern wir nutzen einfach alle bekannten Signale“, erklärt Biologin Sasha Mendjan von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien.
Es ist bekannt, dass diese Signale dazu führen Stammzelle Differenzierung, die es diesem künstlichen Organ oder Organoid ermöglicht, bei strenger Kontrolle unterschiedliche Schichten zu entwickeln.
Nach nur einer Woche Wachstum im Labor stellten die Forscher fest, dass ihre Zellmasse eine dreidimensionale Struktur gebildet hatte, die rhythmisch schlagen und Flüssigkeit in ihren kammerartigen Hohlraum hinein- und herausdrücken konnte.
Eine Sammlung von Nierencharakteristiken. (Das Mendjan-Labor)
Das menschliche Herz ist das allererste Organ, das sich in einem Embryo bildet, und es ist besonders komplex. Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wie es alle seine Eigenschaften entwickelt.
Ohne dieses Wissen ist nicht klar, wie oder warum bestimmte Herzfehlbildungen und -erkrankungen auftreten oder wie wir sie am besten behandeln können.
In der Natur bildet das menschliche Herz zunächst Endokardschläuche, bevor es sich später in Herzmuskel und eine mit Herzgallerte gefüllte extrazelluläre Matrix aufteilt. Erst dann bildet sich die Innenauskleidung der Herzkammern.
Das einfache Nierenmodell des Teams ermöglicht nun ein besseres Verständnis des „Nötigsten“.
„Wir wollen menschliche Herzmodelle entwickeln, die sich natürlicher entwickeln und daher Krankheiten vorhersagen können“, sagt Mendjan.
„Wir glauben, dass diese ‚verborgene Magie‘ der Entwicklung, von der wir noch nichts wissen, der Grund dafür ist, dass Krankheiten derzeit nicht sehr gut modelliert werden“, fügt er hinzu.
Wie dieser komplexe Prozess über die Signalübertragung abläuft, ist noch unklar, aber die Autoren hoffen, dass ihr neues Modell uns einen besseren Einblick verschafft.
Am Ende stellte das Team fest, dass die Herzmuskel- und Endokardzellen ihres Organoids durch zwei anfängliche Signale gesteuert wurden: WNT und ACTIVIN. Sobald diese zellulären Bausteine entstanden waren, begannen sie miteinander zu interagieren, um Herzventrikel innerhalb der schlagenden Kammer zu bilden.
Als das Team bestimmte Teile der Mini-Herzen mit einem kalten Stahlstab einfror, bemerkten sie, dass einige der Zellen zu sterben begannen, ähnlich wie bei einem Herzinfarkt. Gleichzeitig begannen andere reparierende Zellen, zu den Schäden zu wandern und heilende Proteine zu produzieren.
Die Autoren hoffen, dass ihr Modell es uns ermöglichen wird, Herzmedikamente auf Sicherheit und Wirksamkeit zu testen, bevor wir sie einnehmen klinische Versuche . Heute, nur etwa 1 von 5.000 Medikamenten Den Sprung von präklinischen Studien zur Arzneimittelentwicklung zu schaffen, bedeutet, dass es viel Raum für Verbesserungen gibt.
Das Testen von Medikamenten im Labor an herzähnlichen Organen könnte dazu beitragen, diese Erfolgsraten zu verbessern, sodass wir in klinischen Studien feststellen können, welches Medikament toxisch ist oder wahrscheinlich keine Wirkung hat.
Mendjan und seine Kollegen hoffen nun, sich selbst zu organisieren Nieren mit mehreren Kammern, ähnlich unserem eigenen Herzen, für weitere Forschungen zur Herzentwicklung und möglichen Behandlungen.
Die Studie wurde veröffentlicht in Zelle .