Einblicke in die dynamische Ultrastruktur des Herzens

Was innerhalb der Zellen passiert, wenn sich das Herz zusammenzieht und wieder entspannt, war lange nicht erforschbar. Dank neuer, ultrahochauflösender Techniken der Elektronenmikroskopie können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler heute dem Herzen beinahe auf molekularer Ebene beim Schlagen zusehen.

Forscherinnen und Forscher der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg haben die wichtigsten Entwicklungen der Herz-Elektronenmikroskopie und deren Bedeutung für die Forschung in der aktuellen Ausgabe von „Nature Reviews Cardiology“ zusammengefasst. Die Bilder im Nanometerbereich liefern Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Therapien, etwa bei Herzinfarkt oder Herzrhythmusstörungen.

„Mit den von uns und anderen Forschungsgruppen weltweit entwickelten hochauflösenden Mikroskopie-Techniken erhalten wir faszinierenden Einblicke in die dynamische Ultrastruktur des Herzens“, sagt die Leiterin der Studie Dr. Eva Rog-Zielinska. Sie leitet die Abteilung für 4D-Bildgebung am Institut für Experimentelle Kardiovaskuläre Medizin (IEKM) des Universitäts-Herzzentrums am Universitätsklinikum Freiburg. „Wir können damit den dreidimensionalen Aufbau von Herzzellen in bisher ungeahnter Präzision analysieren. Unsere Bildpunkte bestehen aus Würfeln – sogenannte Voxel – mit einer Kantenlänge im Nanometerbereich. Zum Vergleich: Ein Nanometer ist die Strecke, die ein Fingernagel in einer Sekunde wächst“, verdeutlicht Rog-Zielinska.

Dem Herz in Superzeitlupe beim Schlagen zusehen

Eine große Herausforderung besteht nun darin, ultrahochauflösende Abbildungen mit der Bewegung des Herzens zu verknüpfen. „Dank der großen Fortschritte in der Bildgebung der letzten Jahre verstehen wir jetzt viel besser, wie sich Muskel- und Bindegewebszellen im schlagenden Herzen verhalten“, so Ko-Autor Prof. Peter Kohl, Direktor des IEKM, der auch Sprecher des Sonderforschungsbereich 1425 zur Narbenbildung am Herzen ist.

Für die präzisen molekularen Einblicke spielt die Elektronenmikroskopie selbst, aber auch neu entwickelte Methoden der Vor- und Nachbereitung entsprechender Proben eine zentrale Rolle. „Besonders spannend ist, dass wir Muskelzellen wie einzelne Bilder in einem Film aufnehmen können – dank Millisekunden-genauer Hochdruckgefrierung. So sehen wir dem Herz und all seine molekularen Strukturen quasi in Superzeitlupe beim Schlagen zu“, so Kohl.

Experimente, Simulationen und Künstliche Intelligenz greifen ineinander

Die mikroskopischen Aufnahmen werden am IEKM mit Hilfe von Programmen auf Basis Künstlicher Intelligenz ausgewertet und mit Computersimulationen ergänzt, um die Herzfunktion und krankhafte Veränderungen möglichst real darzustellen. „Diese neu gewonnenen Einblicke ermöglichen uns ein völlig neues Verständnis der Herztätigkeit, und darauf aufbauend die Entwicklung neuer therapeutischer Ideen. Wir sehen einer sehr spannenden Zeit der Herzforschung entgegen“, sagt Kohl.