Auswirkung von Nachlastveränderung auf die Kontraktionskraft künstlicher Herzmuskelgewebe

Abstract

In dieser Arbeit wurden Kardiomyozyten in eine Fibrin-Matrix eingebettet und an Silikonschläuchen befestigt kultiviert. Nach wenigen Tagen der Kultivierung dieser künstlichen Herzmuskelgewebe (engineered heart tissue, EHT) setzte ein spontanes vereinzeltes Schlagen des Herzmuskelgewebes ein, welches in den Folgetagen in eine kohärente Form mündete. Das Thema dieser Arbeit beruht auf der wissenschaftlichen Arbeit von Hirt et al. (2012), in der zum ersten Mal mechanisch eine pathologische kardiale Hypertrophie von EHTs durch massive Erhöhung der Nachlast hervorgerufen wurde. Die Nachlast wurde durch das Einführen eines steifen Metallbügels in den Silikonschlauchs realisiert, was nach einer Interventionsdauer von 7 Tagen pathologische Auswirkungen hatte, was sowohl durch molekulare Befunde als auch durch videooptische Untersuchungen der Kontraktionskraft bestätigt wurde. Jedoch waren auch Hinweise auf eine Entwicklung der Herzmuskelkonstrukte im Sinne einer physiologischen Hypertrophie feststellbar, wenn die Nachlast nur moderat erhöhte wurde, was ebenfalls durch histologische Techniken und eine erhöhte Kontraktionskraft nachgewiesen wurde. Es stellte sich also die Frage, ob das künstliche Herzmuskelgewebe tatsächlich in der Lage war physiologische Effekte zu zeigen, ähnlich einem positiven längerfristigen Ausdauertraining beim Menschen. Durch die Herstellung verschieden langer Klammern, die in die Silikonschläuche eingeführt wurden, war es in der vorliegenden Arbeit möglich die Nachlast stufenweise zu erhöhen. Ausgehend von Kontrollbedingungen mit einer Nachlast (ähnlich einer Federkonstante) k von 1,1 mN/mm wurden damit erhöhte k-Werte von 1,5; 2,3 und 3,6 mN/mm möglich. Die maximale Versteifung des Schlauches ging mit einer Federkonstante von 12 mN/mm einher. Ergebnisse der Kontraktionskräfte weisen darauf hin dass EHTs mit k-Werten zwischen 1 und 3 mN/mm bei einer Interventionsdauer von 7 Tagen maximale Kontraktionskräfte hatten. Der untere Bereich des Nachlastspektrums wurde mittels eines sehr dünnen Silikonschlauchs mit einer Federkonstante von 0,5 mN/mm sowie den unterschiedlich langen Klammern abgedeckt, mit denen Federkonstanten von 0,6; 0,8 und 1,3 mN/mm realisiert wurden. Auch diese Daten stützen einen starken Trainingseffekt ab 1 mN/mm. Es erscheint wichtig, die Erkenntnisse aus dieser Arbeit mit Hilfe einer isometrischen Kraftmessung (im Gegensatz zu der hier durchgeführten auxotonen Kraftmessung) zu verifizieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden helfen, EHTs mit maximalen Kontraktionskräften herzustellen, indem man sie gegen eine optimierte Nachlast kontrahieren lässt.