Herzforschung mit Zebrafischen

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Fische, die Herzen heilen

Eigentlich kann sich ein menschliches Herz nicht allein von Verletzungen erholen. Prof. Dr. Felix Engel und sein Forscherteam wollen das ändern und Herzinfarkt-Patienten ein besseres Leben ermöglichen. Dabei lassen sich die Wissenschaftler von einem ungewöhnlichen Tier helfen: dem Zebrafisch.

Schnelle Diagnosen, moderne Therapien und eine weitreichende Aufklärung sorgen in Deutschland für rückläufige Fallzahlen und abnehmende Sterblichkeitsraten bei Herzinfarkten. "Trotzdem ist die anschließende Lebensqualität der Betroffenen nicht gut", betont Prof. Dr. Felix Engel. "Deshalb müssen wir Wege finden, den entstandenen Schaden umzukehren." Foto: Michael Rabenstein/Uni-Klinikum Erlangen

Der menschliche Körper ist ein Regenerationstalent. Gebrochene Knochen heilen wieder und kleine Wunden wachsen zu. Das Blut erneuert sich alle 120 Tage, die Epithelschicht des Darms sogar einmal pro Woche. Und das Herz? Das tanzt aus der Reihe, denn: Die Herzmuskelzellen des Menschen bleiben stets die gleichen. Ein Leben lang wachsen und altern sie mit ihm, teilen und regenerieren sich aber nicht. Umso fataler sind daher Verletzungen dieses lebenswichtigen Organs. Ein Herzinfarkt etwa lässt fünf bis 30 Prozent der Herzmuskelzellen absterben – unwiederbringlich. Der Patient muss versuchen, mit diesem beschädigten Herzen weiterzuleben. Er hat sich der Erforschung dieses Phänomens verschrieben: Prof. Dr. Felix Engel, Inhaber der Professur für Experimentelle Nieren- und Kreislaufforschung in der Nephropathologischen Abteilung (Leiterin: Prof. Dr. Kerstin Amann) des Uni-Klinikums Erlangen.

Seit zwanzig Jahren forscht der gebürtige Berliner nach einem Weg, menschliche Herzmuskelzellen doch zur Teilung anzuregen. Im Fokus seiner Arbeit steht ein ungewöhnliches Tier: der Zebrafisch. "Dessen Herz heilt nämlich sehr wohl von allein", erklärt Prof. Engel. "Lange wussten wir nicht, was bei ihm anders ist als bei uns Menschen. 2015 aber fanden wir heraus: Einen entscheidenden Unterschied macht das Zentrosom." Dieses Zellorganell sorgt für die erforderliche Spaltung des Zellkerns, der die Erbinformationen enthält. "In Herzmuskelzellen von Säugern wie dem Menschen zerfällt das Zentrosom kurz nach der Geburt, während es bei Zebrafischen intakt bleibt", sagt Felix Engel. "Seit dieser Erkenntnis konzentrieren wir uns auf eine Frage: Wie können wir dem Zebrafisch – zumindest in dieser Hinsicht – ähnlicher werden?"

Jahrelanger Gegenwind

Prof. Dr. Felix Engel war der erste Wissenschaftler, der nachweisen konnte, dass Herzmuskelzellen von Säugern zur selbstständigen Teilung fähig sind. Für seine Publikation erhielt er 2006 den Sofja-Kovalevskaja-Preis der Alexander-von-Humboldt-Stiftung. Foto: Michael Rabenstein/Uni-Klinikum Erlangen

Der Weg, den Prof. Engel hinter sich hat, war nicht immer leicht. "Ich bin nicht der Erste, der sich dem Rätsel der Herzregeneration widmet", erklärt er. Viele Forscher vor ihm hatten sich an dem Thema schon die Zähne ausgebissen. Seine Ideen hielten sie daher für undurchführbar. "Mein Glück war schließlich der große Enthusiasmus der Amerikaner für komplizierte Themen", sagt Felix Engel lächelnd.

An der US-amerikanischen Harvard Medical School gelingt ihm 2005 die Sensation: Durch die medikamentöse Stimulation und die Manipulation bestimmter Signalwege erreicht er die vollständige Teilung von Herzmuskelzellen – der Beweis, dass es möglich ist. Von da an ging es bergauf, und seit 2012 arbeitet der Biotechnologe im Translational Research Center des Uni-Klinikums Erlangen.

Forschung auf drei Säulen

Was in Harvard begann, das wollen Prof. Engel und sein internationales Team aus jungen Forschern in Erlangen fortführen. Ihr langfristiges Ziel: die Herzregeneration für den Patienten. Diesem Plan nähern sich die Wissenschaftler mit drei Ansätzen.

Der erste dreht sich ganz um die Zellen selbst. "Unsere Grundannahme ist, dass menschliche Herzmuskelzellen generell zu einer Teilung fähig sind – so, wie ich es 2005 zeigen konnte. Zusätzlich – und hier beginnt unsere Arbeit – vermuten wir, dass nicht alle Herzmuskelzellen ihre Zentrosomen verloren haben. Wir sagen, dass es in jedem Menschen einige wenige gibt, die noch intakt sind und denen eine Teilung möglich wäre. Wie lässt sich die Teilung also anregen? Das ist die Frage." Gleichzeitig wollen die Wissenschaftler die Mechanismen verstehen, die das Zentrosom überhaupt erst zerfallen lassen. "Dieses Wissen würde uns in zweierlei Richtung nützen: Wüssten wir, wie sich das Zentrosom reparieren lässt, erhielten wir mehr teilbare Herzmuskelzellen", erklärt Prof. Engel.

"Außerdem haben wir die Tumorforschung im Blick. Möglicherweise können wir vom Herzen lernen, wie man Tumorzellen per Zentrosom-Deaktivierung einfach den Stecker zieht." Der Schluss liegt nahe, schließlich gibt es bei Erwachsenen keinen Herzkrebs.

Das Herz aus dem Drucker?

Die Daten lassen erahnen: Schafften es die Forscher, noch intakte Herzmuskelzellen zur Teilung anzuregen, wäre das eine realistische Option, um Herzpatienten zu helfen. Allerdings ist der Weg zu dieser Therapie noch weit. Daher arbeitet Prof. Engel an einem zweiten Ansatz – und auch dieser bedient sich fabelhafter Fähigkeiten aus dem Tierreich. "Es hat sich herausgestellt, dass Herzmuskelzellen besonders gut in einer bestimmten Sorte Spinnenseide wachsen", erklärt Prof. Engel und beschreibt, wie ein Bayreuther Kollege einen Weg fand, das Biomaterial künstlich und in gleichbleibender Qualität, wie sie in der Forschung wichtig ist, herzustellen. "Wir vermengen nun die Spinnenseide mit aus Stammzellen gezüchteten menschlichen Herzmuskelzellen und können daraus mittels 3-D-Druck einfach strukturiertes Herzmuskelgewebe drucken. Unsere Idee ist, diesen Prozess in den kommenden Jahren so zu optimieren, dass wir transplantierbares Gewebe heranwachsen lassen können."

Unterstützung erfährt das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft. Diese bewilligte die Förderung des Transregio 225 "Von den Grundlagen der Biofabrikation zu funktionalen Gewebemodellen". Zunächst für vier Jahre arbeiten jetzt Wissenschaftler aus Erlangen, Würzburg, Bayreuth, Dresden und Jülich an der Aufgabe, optimale Bedingungen für das Gewebewachstum im Labor zu schaffen.

Nicht die Basis aus den Augen verlieren

Bei aller Konzentration auf die Möglichkeiten der Zukunft wollen die Erlanger Wissenschaftler auch die Grundlagenforschung nicht vernachlässigen, denn noch immer bleiben viele Fragen um das Herz unbeantwortet. Auch in dieser dritten Säule von Felix Engels Professur spielt der Zebrafisch die Hauptrolle. Das Besondere: Seine Larven sind durchsichtig und erlauben den Forschern, dem Herzen live beim Wachsen zuzuschauen. Durch diesen außergewöhnlichen Einblick wollen sie verstehen, warum es manchmal zu vorgeburtlichen Defekten kommt.

Forschung braucht Zeit

Die Konkurrenz des Erlanger Forscherteams ist groß – vor allem, weil Herzerkrankungen heute eine enorme sozioökonomische Bedeutung haben. "Die Herzforschung ist ein hochkompetitives Feld, das bei den Patienten viele Hoffnungen weckt", sagt Felix Engel verständnisvoll. Er selbst setzt auf geduldige Präzision. "Vieles, das in der Vergangenheit schnell publiziert wurde, hielt späteren Prüfungen nicht stand. Dabei ist es so wichtig, sich dem Thema langsam zu nähern, zuerst die Grundlagen voll zu verstehen und dann darauf aufzubauen. Schlagzeilen verrauchen schnell. Mein Team und ich, wir wollen es richtig machen. Das braucht Zeit."

Quelle: Jahresbericht 2017 des Uni-Klinikums Erlangen