Mit Nanopartikel-Tandems gegen den Herzinfarkt

Forscher weisen an Mäusen nach, dass transplantierte Muskelzellen im Magnetfeld besser anwachsen

Wie lässt sich nach einem Herzinfarkt geschädigtes Gewebe am besten mit Ersatzmuskelzellen behandeln? Ein Forscherteam unter Leitung der Universität Bonn stellt nun an Mäusen ein innovatives Verfahren vor: Muskelersatzzellen, die die Funktion des geschädigten Gewebes übernehmen sollen, werden mit Magnetischen Nanopartikeln beladen. Diese Nanopartikel-beladenen Zellen werden dann in den geschädigten Herzmuskel gespritzt und von einem Magneten an Ort und Stelle gehalten, weshalb die Zellen besser anwachsen. Die Wissenschaftler weisen am Tiermodell nach, dass sich die Herzfunktion dadurch deutlich verbessert. Das Fachjournal „Biomaterials“ stellt vorab online die Ergebnisse vor, die Druckfassung erscheint demnächst.

Beim Herzinfarkt kommt es meist durch Gerinnsel zu anhaltenden Durchblutungsstörungen von Teilen des Herzmuskels, in der Folge sterben Herzmuskelzellen ab. Schon seit längerem wird versucht, das geschädigte Herzgewebe durch Ersatzzellen zu revitalisieren. „Allerdings werden die Zellen beim Injizieren zu einem Großteil wegen der Pumptätigkeit des schlagenden Herzens durch den Stichkanal wieder herausgedrückt“, sagt Prof. Dr. Wilhelm Röll von der Klinik für Herzchirurgie des Universitätsklinikums Bonn. Deshalb verbleiben nur wenige Ersatzzellen im Herzmuskel – und die Regeneration ist gering.

Mit einem interdisziplinären Team erprobte Prof. Röll einen innovativen Ansatz, wie die injizierten Ersatzzellen besser am gewünschten Ort verbleiben und dort im Herzgewebe anwachsen. Die Experimente wurden an Mäusen durchgeführt, die zuvor einen Herzinfarkt erlitten hatten. Um die aus fötalen Mausherzen oder Mausstammzellen gewonnenen Herzmuskel-Ersatzzellen besser verfolgen zu können, wurden sie mit einem Fluoreszenzfarbstoff versetzt. Diese leuchtenden Ersatzzellen wurden mit winzigen magnetischen Nanopartikel beladen und mit einer feinen Kanüle in das geschädigte Herzgewebe der Mäuse injiziert.

Im Magnetfeld bleiben die Nanopartikel-Ersatzzellen an Ort und Stelle

Bei einem Teil der so behandelten Nager sorgte ein Magnet im Abstand von wenigen Millimetern dafür, dass ein Großteil der Nanopartikel mit den Ersatzzellen am gewünschten Ort verblieben. „Ohne Magnet hafteten etwa ein Viertel der zugefügten Zellen im Herzgewebe, mit waren es rund 60 Prozent“, berichtet Dr. Annika Ottersbach, die während der Untersuchungen Doktorandin in Prof. Rölls Team war. Zehn Minuten unter dem Einfluss des Magnetfeldes reichten bereits aus, um einen erheblichen Anteil der Nanopartikel-beladenen Ersatzzellen am Zielort festzuhalten. Auch Tage nach dem Eingriff verblieben die injizierten Zellen und wuchsen allmählich an.

„Das ist erstaunlich, zumal das Infarktgewebe mangels Durchblutung relativ unterversorgt ist“, sagt Prof. Röll. Unter dem Einfluss des Magneten starben die Ersatzzellen nicht so häufig, wuchsen besser an und vermehrten sich stärker. Die Forscher untersuchten die Gründe für das bessere Wachstum: Es zeigte sich, dass diese implantierten Herzmuskelzellen dichter gepackt waren und durch den intensiveren Zell-Zell-Kontakt besser überleben konnten. Darüber hinaus war in diesen Ersatzzellen die Genaktivität vieler Überlebensfunktionen – wie etwa für die Zellatmung – höher als ohne Magnet.

Die Forscher wiesen auch nach, dass sich die Herzfunktion bei den mit Nanopartikel-Muskelzellen in Kombination mit Magnet behandelten Mäusen deutlich verbesserte. „Nach zwei Wochen hatten sieben Mal so viele Ersatzzellen überlebt und nach zwei Monaten vier Mal so viele wie mit der herkömmlichen Implantationstechnik“, berichtet Prof. Röll. Angesichts der Lebensspanne der Mäuse von maximal zwei Jahren sei dies eine erstaunlich dauerhafte Wirkung.

In der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschergruppe 917 „Nanoparticle-based targeting of gene- and cell-based therapies“ arbeiteten die unterschiedlichsten Disziplinen von der Medizin über die Physik und Ingenieurwissenschaft bis hin zur Biologie zusammen. „Dieser interdisziplinäre Ansatz erlaubte das ungewöhnlich breite Spektrum und die Tiefe der Untersuchungen“, sagt Prof. Röll. Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass sich diese Technologie potenziell auch auf den Menschen übertragen lässt. Prof. Röll: „Bis zur möglichen klinischen Anwendung ist es aber noch ein langer Weg, der weitere intensive Forschung erfordert.“

Beteiligte Institute

Zum Team gehörten Forscher der Klinik für Herzchirurgie des Universitätsklinikums Bonn, des Instituts für Physiologie I am Life & Brain Zentrum Bonn, des Instituts für Molekulare Immunologie im Klinikum München rechts der Isar, des Institute of Medical Engineering der TU München, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, des Instituts für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Bonn, des Instituts für Klinische Chemie und Klinische Pharmakologie des Universitätsklinikums Bonn und des Instituts für Kreislaufforschung und Sportmedizin der Deutschen Sporthochschule Köln.

Publikation: Annika Ottersbach, Olga Mykhaylykc, Alexandra Heidsieck, Dietmar Eberbeck, Sarah Rieck, Katrin Zimmermann, Martin Breitbach, Britta Engelbrecht, Tobias Brügmann, Michael Hesse, Armin Welz, Philipp Sasse, Daniela Wenzel, Christian Plank, Bernhard Gleich, Michael Hölzel, Wilhelm Bloch, Alexander Pfeifer, Bernd K. Fleischmann und Wilhelm Röll: Improved heart repair upon myocardial infarction: Combination of magnetic nanoparticles and tailored magnets strongly increases engraftment of myocytes, Fachjournal „Biomaterials“, DOI: 10.1016/j.biomaterials.2017.11.012

Bilder:
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Über eine in das Infarktareal eingebrachte Kanüle werden die mit magnetischen Nanopartikeln beladenen Zellen in das geschädigte Herzmuskelgewebe der Maus gespritzt.
© Foto: Dr. Annika Ottersbach/Uni Bonn
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Prof. Dr. Wilhelm Röll
von der Klinik für Herzchirurgie des Universitätsklinikums Bonn.
© Foto: UKB
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