Zellatlas des kranken Herzens

Wie erholt sich das Herz nach einem Infarkt? Was unterscheidet junge Herzen von alten? Diese Fragen wollen ForscherInnen mithilfe neuer Technologien beantworten, die verschiedenste Zelltypen und ihre Aktivitäten bis auf die Ebene von Proteinen und Genen verfolgen.

Neues Verfahren lässt Einzelzellen beobachten

Wie erholt sich das Herz nach einem Infarkt? Was unterscheidet junge Herzen von alten? Diese Fragen wollen ForscherInnen mithilfe neuer Technologien beantworten, die verschiedenste Zelltypen und ihre Aktivitäten bis auf die Ebene von Proteinen und Genen verfolgen.

Herz und Gefäße bilden ein hochkomplexes Organsystem, in dem unterschiedlichste Zelltypen reibungslos zusammenarbeiten müssen. Die Endothelzellen, die alle Blutgefäße auskleiden, stabilisieren zusammen mit den Gefäßmuskelzellen die Gefäße und regulieren den Blutdruck. Für das Herzpumpen sind wiederum die Herzmuskelzellen verantwortlich. Was passiert aber in kranken oder altersschwachen Herzen? Das konnten Herzbiologen bisher nur auf der Ebene von Geweben untersuchen. Biologisch relevante Vorgänge, die sich auf der Zellebene abspielen, könnten aber ebenfalls eine Rolle spielen.

Nun gewähren neu entwickelte Verfahren zur Analyse einzelner Zellen erstmals Einblicke in die tatsächliche Vielfalt der Zellen im Herz-Kreislauf-System. Sie erlauben es, gleichzeitig eine Vielzahl an aktiven Genen oder Proteinen in einzelnen Zellen zu analysieren. Um all diese Daten sinnvoll zusammenzuführen und interpretieren zu können, nutzen Forscher Ansätze aus der künstlichen Intelligenz. Maschinenlernverfahren helfen Stefanie Dimmeler und Wesley Aplanalp vom Institut für kardiovaskuläre Regeneration, Zellen mit ähnlichen Eigenschaften zusammenzufassen und nach ihren Eigenschaften und Funktionen zu ordnen.

"Diese Methoden können wir in Krankheitsmodellen anwenden, um erstmals zu untersuchen, wie einzelne Zellen auf Risikofaktoren oder Erkrankungen reagieren", erklärte Dimmeler: "Wir möchten beispielsweise wissen, ob sich alle Zellen gleichzeitig verändern, oder ob es nur einzelne Zellen oder Zellgruppen sind, die dann Nachbarzellen durch fehlerhafte Kontakte schädigen."

Von besonderer Bedeutung ist, dass die Einzelzell-Technologie auch auf kleine menschliche Gewebestücke, wie Biopsien, anwendbar ist. Zusammen mit vielen internationalen ForscherInnen trägt Dimmeler die Informationen zusammen, um erstmals einen Atlas des kranken Herzens anfertigen zu können. Wie umfangreich die Daten sind, die zunächst gesammelt werden müssen, lässt sich durch einen Vergleich mit dem bereits veröffentlichten Zellatlas der gesunden Maus ermessen: Dieser umfasst 100 000 Zellen von 20 Organen und Geweben.

Zur Erstellung des menschlichen Zellatlas wurde im Oktober 2016 in London das Konsortium "Human Cell Atlas" gegründet. "Bei manchen Zellarten, die beim Menschen in hoher Zahl vorkommen, reicht bereits eine kleine Stichprobe, aber um seltene Zellen wie Stammzellen oder auch komplexe Veränderungen bei Erkrankungen feststellen zu können, müssen sehr viele Zellen analysiert werden", erklärte Dimmeler.

Die Arbeitsgruppe von Dimmeler arbeitete zusammen mit dem Kardiologen Prof. Andreas Zeiher und dem Herzchirurgen Prof. Thomas Walther daran, die Einzelzellbiologie im kranken und alten Herzen des Menschen aufzuklären. Insbesondere versucht das Team, anhand von menschlichem Blut und kleinen Gewebestückchen, die bei Herzoperationen anfallen, zu verstehen, wie der Herzinfarkt und die dann folgende Narbenbildung die Zusammensetzung und die Kommunikation der Zellen im Herzen verändern. Gibt es möglicherweise seltene, bisher unbekannte Populationen von Stamm- oder Vorläuferzellen? Wie verändern sich die Entzündungszellen im Blut herzkranker PatientInnen? Und was passiert, wenn die Entzündungszellen ins Herz einwandern?

Während die menschlichen Proben noch gesammelt werden, haben Dimmeler und ihre MitstreiterInnen an Mäusen bereits festgestellt, dass einzelne Zellpopulationen sich im Alter verändern. Nachfolgende bioinformatische Analysen zeigten zudem eine Veränderung der Gene, die für die Kommunikation der Zellen untereinander verantwortlich sind. "Wir konnten im alten Herzen eine Kommunikationsstörung nachweisen. Im jungen Herzen unterstützen sich die Zellen gegenseitig: Zwischen den Herzmuskel- und gefäßbildenden Zellen liegen Zellen des Bindegewebes, die Fibroblasten. Sie schütten Botenstoffe aus, die die Gefäßzellen positiv beeinflussen. Im Alter werden dagegen andere Botenstoffe gebildet, die zu einer eingeschränkten Durchblutung des Herzens führen könnten“, erklärte die Biologin abschließend.

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