Skip to main content
European Commission logo print header

Unraveling the mechanobiology of tissue growth in native and tissue-engineered heart valves

Article Category

Article available in the following languages:

Wachstumspotenzial biotechnologisch erzeugter Herzklappen

Das Projekt G-Valve ermittelte über computergestützte Ansätze und biologische Methoden die optimalen Wachstumsbedingungen für per Gewebezüchtung erzeugte Herzklappen.

Gesundheit icon Gesundheit

Geschädigte Herzklappen können inzwischen durch künstliche Herzklappen (mechanische und gezüchtete Klappen) ersetzt werden, haben jedoch ihre Vor- und Nachteile. Gezüchtete Herzklappen sind nicht unbegrenzt haltbar, da sie nicht aus lebendem Gewebe bestehen, das mitwachsen oder sich regenerieren kann. Und selbst wenn mechanische Klappen prinzipiell lange funktionieren, ist lebenslang eine Antikoagulationstherapie notwendig. Zudem ist keine Anpassung an körperliche oder andere Veränderungen möglich, was den Ersatz von Herzklappen bei Kindern deutlich einschränkt und für somatisches Wachstum mehrere Folgeoperationen erforderlich macht. Obwohl per Gewebezüchtung erzeugte Herzklappen bis zu einem gewissen Maß mitwachsen und umgebaut werden können, ist der medizinische Einsatz aufgrund des noch dürftigen Forschungsstands über diese Prozesse im Herzen besonders bei Kindern begrenzt. Beleg dafür sind zahlreiche vorklinische Studien, denen zufolge gezüchtete Herzklappen nach einiger Zeit durch nachteilige Umbauprozesse im Gewebe ihre Funktion verlieren. G-Valve widmete sich daher der Erforschung von Prozessen, die beim Wachstum und Umbau in nativen menschlichen Herzklappen stattfinden, und sollte dieses Wissen anwenden, um das Wachstumspotenzial von per Gewebezüchtung erzeugten Herzklappen zu prognostizieren. Mit kombinierten neuesten Methoden aus der Kontinuumsmechanik und Zellbiologie wurden mechanobiologische Prozesse (d. h. biologische, durch mechanische Faktoren stimulierte Prozesse) untersucht, die bei der Anpassung künstlich erzeugter Herzklappen stattfinden. Ergebnis ist die Entwicklung prädiktiver Modelle des Wachstums von Herzklappen. Modelle von Anpassungsprozessen bei kardiovaskulärem Gewebe „Für unsere Untersuchung der natürlichen Anpassung bei Herzklappen konnten wir einen hervorragenden experimentellen Datensatz nutzen, der die geometrischen und materiellen Merkmale menschlicher Aorten- und Pulmonalklappen verschiedener Altersstufen darstellt“, erklärt Dr. Loerakker, Projektkoordinator von G-Valve. Computeranalysen mit mathematischen Modellen und Computersimulationen, für die wir zeitweise mit Prof. Ellen Kuhl von der Stanford University kooperierten, zeigten, dass die mechanische Dehnung bei allen Klappen entsprechend der alters- und ortsspezifischen hämodynamischen Belastung ähnlich ist. Bedeutsam ist dies, weil es zeigt, dass native Herzklappen sich anpassen und damit lebenslang einen bestimmten Dehnungszustand aufrechterhalten, der als homöostatischer mechanischer Parameter dient. G-Valve entwickelte weiterhin ein Computermodell des Notch-Signalwegs, der wesentlich an Wachstum und Anpassung von kardiovaskulärem Gewebe beteiligt ist. „Die Entwicklung dieses Computermodells war schwieriger und deutlich zeitaufwändiger als wir erwartet hatten“, fügt Dr. Loerakker hinzu. Mit experimentellen Daten wurde die Sensitivität der Notch-Proteine gegenüber mechanischen Einflüssen (Mechanosensitivität) belegt. Anhand dieses Inputs konnte das Modell prognostizieren, wie spezifische Veränderungen der Gewebegeometrie zur plötzlichen Entstehung oder Aufhebung der Gewebshomöostase führen können. Auf diese Weise lässt sich erklären, warum und wie kardiovaskuläres Gewebe je nach mechanosensitiver Zell-Zell-Kommunikation Wachstum initiiert oder beendet. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse der Studie im Fachblatt Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Langfristiges Wachstum und Funktionalität bei gezüchteten Herzklappen – eine Zukunftsvision G-Valve lieferte Computerdaten zur mechanosensitiven Zell-Zell-Signalgebung während des Wachstums und der Anpassung von Gewebe und damit den Startpunkt für eine völlig neue Forschungsrichtung. Der Forschergruppe zufolge könnte dies der Auftakt für das rationale Design per Gewebezüchtung erzeugten kardiovaskulären Gewebes sein, das im Körper des Patienten mitwachsen und umgebaut werden kann. Dies wiederum wird die europäische Exzellenz und Wettbewerbsfähigkeit in den Bereichen Biomechanik und Gewebezüchtung fördern und dazu beitragen, die lange Funktionalität von bioartifiziellem kardiovaskulärem Gewebe und vor allem von per Gewebezüchtung erzeugten Herzklappen zu gewährleisten.

Schlüsselbegriffe

G-Valve, Herzklappen, per Gewebezüchtung erzeugte Herzklappen, kardiovaskuläres Gewebe, Wachstum und Umbau, Computermodell, Gewebezüchtung, mechanische Dehnung

Entdecken Sie Artikel in demselben Anwendungsbereich