ERC-Grant für die Züchtung menschlichen Herzgewebes im Labor

Die Wissenschaftlerin Prof. Laura De Laporte vom DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien und RWTH Aachen erhält den Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) für das Projekt HEARTBEAT. Ziel ist die Produktion von vaskularisiertem, strukturiertem und schlagendem menschlichem Herzgewebe im Labor.

Mit einem Budget von drei Millionen Euro wird der Ausbau von De Laportes Forschung am DWI in Aachen gefördert. De Laporte studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Gent (Belgien) und habilitierte 2017 im Fachbereich Chemie an der RWTH Aachen, wo sie seit Dezember 2020 außerplanmäßige Professorin in diesem Fachbereich mit dem Lehr- und Forschungsgebiet Advanced Materials for Biomedicine ist.

Im Forschungsprojekt HEARTBEAT will De Laporte mit ihrem Team mit traditionellen Methoden zur Herstellung von 3D-Biomaterialien brechen: Ihr Ansatz ist es, interaktive, mikroskopisch kleine stäbchenförmige Polymernetzwerke – sogenannte Mikrogele – zu verwenden, um 3D-Konstrukte im Hochdurchsatzverfahren für die Züchtung von menschlichem Herzgewebe im Millimetermaßstab herzustellen. Mit einer räumlich kontrollierbaren Anordnung und Bewegung der Mikrogele will sie makroporöse Gerüste erzeugen, die in der Lage sind, Zellen zu orientieren und die Zell-Zell-Interaktion zu verbessern.

Im ersten Schritt des Projektes werden verschiedene Arten von Mikrogelen im Beisein von induzierten pluripotenten Stammzellen automatisch zusammengefügt, magnetisch ausgerichtet und chemisch miteinander verbunden. Dadurch sollen die Stammzellen sowohl räumlich verteilt und ausgebreitet als auch organisiert werden, bevor sie in Herzzellen differenziert werden. Das 3D-Konstrukt wird anschließend mit Licht angeregt, um den Herzschlag zu imitieren und die Funktionalität des wachsenden Gewebes zu verbessern. In einem zweiten Schritt sollen Blutgefäße in das Gewebe einwachsen, um das wachsende Mini-Herzgewebe mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Um dies zu ermöglichen, ist ein Teil der Mikrogele so konzipiert, dass sie bei Bedarf abgebaut werden können, um ausreichend Platz für wachsende Blutgefäße zu schaffen.

„Dieses Projekt ist ein riesiger Schritt hin zu komplexen und interaktiven Materialien, wie wir sie aus der Natur und somit auch aus unserem Körper kennen“, erklärt De Laporte. Bisher ist es noch nicht möglich, funktionelle und individualisierte Gewebe samt den biologischen Strukturen und vollständig entwickelten Blutgefäßen zu erzeugen. Der Hauptgrund für diese Einschränkung ist, dass die derzeitigen Materialien nicht die Komplexität und Dynamik der natürlichen Zellumgebung nachbilden können. „Die einzigartigen bioinspirierten 3D-Konstruktionen – also ihr makroporöser und ausgerichteter Aufbau – von HEARTBEAT werden der komplexen biologischen Architektur ähneln. Gleichzeitig lässt sich durch die Anregung der Mikrogele der Herzschlag nachahmen“, erläutert De Laporte.

Das Projekt will aufklären, wie Materialeigenschaften, Architekturen und eine durch externe Stimuli angeregte Bewegung der Mikrogele die Bildung und Vaskularisation des menschlichen Herzgewebes beeinflussen und wie sich das Konstrukt im Laufe der Zeit an das wachsende Gewebe anpassen muss, um die richtige extrazelluläre Umgebung zu schaffen. „Wenn wir in der Lage sind, funktionelles menschliches Minigewebe oder gar patientenspezifisches Gewebe im Hochdurchsatzverfahren zu züchten, das den menschlichen Körper besser abbildet, können wir eine Plattformtechnologie für die Prüfung von Arzneimitteln und die Erforschung von Krankheiten schaffen. Darüber hinaus würde auch der Bedarf an Tierversuchen verringert werden“, so De Laporte.