Mit Nanopartikel-Tandems gegen den Herzinfarkt

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 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. 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 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  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 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 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 Röll. Die Wis­sen­schaft­ler sind davon über­zeugt, dass sich die­se Tech­no­lo­gie poten­zi­ell auch auf den Men­schen über­tra­gen lässt. 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

Quelle
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 01.12.2017
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