Regenerative Herzklappen am Computer designen

Vom Computer designte regenerative Herzklappe. (Foto: Universität Zürich)

Auf dem Weg, Herzpatienten mit regenerativen Herzklappen zu behandeln haben Forscher jetzt einen Meilenstein erreicht: Sie haben erfolgreich regenerative Herzklappen, die mithilfe von Computersimulationen designt wurden, erstmals bei Schafen eingesetzt. Damit ist den Wissenschaftlern der Universität Zürich, der Technischen Universität Eindhoven und der Charité Berlin ein Durchbruch gelungen.

Lebende Gewebe oder Organe im Labor auf der Basis menschlicher Zellen herzustellen, ist eines der zentralen Forschungsgebiete der Regenerativen Medizin. Der Weg dorthin führt über das Tissue Engineering, die Züchtung von „Ersatzteilen im Reagenzglas“. Damit sollen die defekten Zellen und Gewebe im Körper ersetzt und ihre normale Funktion wiederhergestellt werden. Im Vergleich zu den heute verwendeten künstlichen Implantaten haben ihre biologischen Pendants gewichtige Vorteile: Sie lösen keine Abwehrreaktion des Körpers aus, sie können wachsen und sich regenerieren.

Entwicklung von Herzklappen vorhersagen

Im Rahmen des durch die EU geförderten Projekts „LifeValve“ konnte das internationale Forscherteam unter der Leitung von UZH-Professor Simon P. Hoerstrup durch Einsatz von Computersimulationen individuell vorherzusagen, wie gut gezüchtete Herzklappen wachsen, sich regenerieren und funktionieren. Geglückt ist das bei Schafen. „Dank den Simulationen können wir das Design und die Zusammensetzung der regenerativen Herzklappen optimieren und maßgeschneiderte Implantate für die Therapie entwickeln“, sagt Hoerstrup vom Institut für Regenerative Medizin der UZH.

Wichtiger Schritt zur klinischen Anwendung

Durch die Computersimulation Iassen sich vor allem die Veränderungen in der Struktur der Herzklappe, die im Körper während des dynamischen Regenerationsprozesses auftreten, vorhersagen und im Design entsprechend antizipieren. Nach Ansicht der Forscher sind diese Ergebnisse ein wichtiger Schritt dafür, die in Zürich entwickelten Tissue Engineering-Technologie zukünftig routinemäßig anzuwenden. Für die Wissenschaftler können die Erkenntnisse zudem einen grundlegenden konzeptionellen Beitrag dabei leisten, Bioengineering-Technologien in der Regenerativen Medizin erfolgreich in die klinische Anwendung zu überführen.

Weniger Operationen durch regenerative Herzklappen

Herzklappenfehler sind weltweit eine der Hauptursachen für Morbidität und Sterblichkeit. Vor allem für Kinder angeborenen Herzfehlern sind die verfügbaren, künstlichen Herzklappen eine unbefriedigende Lösung. Defekte Herzklappen oder Blutgefäße müssen häufig operativ durch Prothesen ersetzt werden, die mit dem kindlichen Körper nicht mitwachsen können. Die Folge sind wiederholte Operationen mit steigenden Mortalitätsrisiken. Auch Prothesen tierischen Ursprungs wie etwa vom Schwein oder vom Rind versagen mit der Zeit und müssen ausgetauscht werden. Daher würden auch erwachsene Patienten von regenerativen Herzklappen und Blutgefäßen profitieren.

Auf dem Weg zum klinischen Routineverfahren muss die Technologie jedoch noch einige Hürden meistern. „Eine der größten Herausforderungen bei komplexen Implantaten wie Herzklappen besteht darin, dass jeder Patient ein individuelles Regenerationspotential besitzt. Es gibt daher keine ‚One fits all’-Lösungen“, so Hoerstrup. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben die Forscher im Journal „Science Translational Medicine“ publiziert.