Regenerative Medizin: Herz, ein Stück Fleisch

Unfassbar, das Stück Fleisch zuckt wirklich. Langsam nur kontrahiert es, vielleicht dreißig- oder vierzigmal die Minute, aber zuverlässig wie ein Wimpernschlag. Das rhythmische Pumpen lässt einem fast den Atem stocken. Das Gewebe ist nicht blutrot, eher braun-orange. Hört man da ein Pochen? Oder ist es der eigene Herzschlag? Es ist finster im Mikroskopierraum. Alles starrt auf die beiden Bildschirme.

George Kensah, der Biologe, dreht mit seinen langen Fingern an den Stellschrauben der Objektträgerplatte, millimeterweise wird das Präparat vor und zur Seite gefahren. Friedrich Hebbel sagte, über alles habe der Mensch Gewalt, nur nicht über sein Herz. Hebbel hatte ja nicht ahnen können, was mit der Biomedizin noch auf uns zukommen würde.

Schöpfungsmythos mit Stammzellen

Der Lyriker aus Dithmarschen ist seit hundertfünfzig Jahren tot. Dass eines Tages, nicht allzu weit von seinem Geburtsort, an der Medizinischen Hochschule in Hannover jenes menschliche Organ, das keineswegs nur Hebbel als die Fleischwerdung unserer empfindsamen Seele betrachtete, wie Goethes Homunculus aus der Phiole in die Welt kommen könnte, wäre Hebbel und seinen Zeitgenossen gewiss nicht in den Sinn gekommen.

Dabei waren eben schon Mitte des neunzehnten Jahrhunderts durch den Berliner Rudolf Virchow die Wurzeln der „Zellularpathologie“ gelegt worden, die zum Ausgangspunkt für die neue biomedizinische Revolution werden sollte. George Kensah ist einer der jungen Protagonisten dieser radikalen Wende in der Medizin. Man könnte auch von einem Schöpfungsmythos mit Stammzellen sprechen.

Stammzellforschung und Tissue Engineering. In dem Forschungslabor von Prof. Ulrich Martin werden aus Stammzellen künstliche Herzen und Lungengewebe hergestellt.

In seinem Forschungslabor werden aus Stammzellen künstliche Herzen hergestellt: Professor Ulrich Martin

Tatsächlich ist schon so viel Phantastisches und Falsches über die künstliche Erzeugung menschlicher Organe in der Retorte geschrieben worden, dass man den Bioingenieuren in ihren Laboren mittlerweile durchaus Ähnliches zuschreibt wie Goethes faustischem Wagner, der sich in Anwesenheit des Teufels einen Menschen zu schaffen traute. Aber George Kensah bastelt an keinem Menschen.

Er fragt sich, wie man es schafft, in der Petrischale aus Stammzellen ein künstliches Herz oder, wenigstens im ersten Schritt, funktionierendes Herzgewebe zu erschaffen. Das wäre medizinisch schon ein historischer Schritt. Vergleichbar mit der ersten Synthese von Lebensbausteinen wie Eiweißen und Aminosäuren durch den Euskirchener Emil Fischer vor hundert Jahren, doch schon viel weitreichender als die Erfindung des ersten Kunstherzens durch Robert Jarvik vor vierzig Jahren.

Organe aus dem Reagenzglas

Die Transplantationsmedizin steht vor einer neuen Epoche. Einen Namen hat sie schon: Regenerative Medizin. Anstelle von „Kadaver“-Organen spendenwilliger Hirntoter wird man künftig bei vielen Herzpatienten an das Verpflanzen von voll funktionsfähigem, lebendem - aber künstlich im Reagenzglas gezeugten - Herzgewebe übergehen. Im Idealfall sogar von Kunstherzen, die aus den Zellen des eigenen Körpers hergestellt wurden.

Ideal allerdings nur, wenn man nicht die restriktiven bioethischen Maßstäbe maßgeblicher Kritiker dieser Moderne anlegt. Jürgen Habermas zum Beispiel, der deutsche Philosoph, warnt im Blick auf die „transhumanistischen Zukunftsphantasien“ der Stammzellforscher vor einer „Selbstinstrumentalisierung der Gattung“ Mensch: „Das beunruhigende Phänomen ist das Verschwimmen der Grenze zwischen der Natur, die wir sind, und der organischen Ausstattung, die wir uns geben.“

Vor einem halben Jahr haben Ulrich Martin, Kensahs Chef an den „Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und Künstliche Organe“, sowie Ina Gruh, die Arbeitsgruppenleiterin, und George Kensah das Fundament geschaffen, auf dem ihre Zukunftsphantasien realisiert werden sollen. Im „European Heart Journal“ berichteten sie über den Fortschritt eines Projekts, das in der Kurzform den bezeichnenden Titel „Rebirth“ - Wiedergeburt - trägt.

Kunstgewebe arbeitet völlig autark

Die Wissenschaftler hatten aus ganz unterschiedlichen Zellen das Rohmaterial für ihr künstliches Herzgewebe erzeugt. Vor allem haben sie es danach auch noch geschafft, daraus im Verlauf von einigen Wochen so kontrolliert einen Gewebeverband zu züchten, dass die Muskelfasern synchron und kräftig zu schlagen begannen. Nun also ist der Tag gekommen, an dem einer der nächsten entscheidenden Schritte ansteht. Wochen haben Kensah, Gruh und ein Großteil der gut fünfzig Institutsmitarbeiter auf diesen Moment hingearbeitet.

Kensah sitzt im Mikroskopierraum und mustert das Herzgewebe, das durch die Linsen des Mikroskops zwar stark vergrößert auf den Bildschirmen erscheint, aber exakt dem Gewebe gleicht, das im Nachbargebäude der Medizinischen Hochschule Hannover von Tierärzten verpflanzt wird. Es ist dünn, schmal und auffallend lang. Stattliche viereinhalb Zentimeter lange Fasern haben die Zellen gebildet. Es sind jetzt Muskelzellen, die ein paar besondere Eigenschaften von Herzmuskelzellen angenommen haben: Die einzelnen Muskelzellen verbinden sich über Zellkanäle - „gap junctions“.

Sie bilden eine Art Gesamtkunstwerk, in dem die Signale zur Kontraktion nicht über Nerven vermittelt werden, sondern eben über jene Zellkanäle. Genau wie im naturwüchsigen Herzen. Der Clou ist, dass das Kunstgewebe wie das natürliche Vorbild auch Schrittmacherzellen enthält, die völlig autark den Rhythmus vorgeben und damit die Muskelkontraktion der Nachbarzellen auslösen. Ein wahrhaft faustisches biotechnisches Wunderwerk.

Operation am Schwein der vorvorletzte Schritt

Dieser automatisch pulsierende Gewebefetzen soll verpflanzt werden. Zum ersten Mal in zwei Hausschweine. Bisher hatte man nur millimeterkleine Gewebestücke versuchsweise in die Herzen von Nagetieren transplantiert. Mausgewebe war es zuerst, danach auch künstliches Gewebe, das aus menschlichen Zellen erzeugt wurde. Jetzt geht man eine Experimentierstufe höher. Vom Versuch am Schwein bis zum ersten klinischen Versuch an schwerkranken Menschen ist es dann nicht mehr allzu weit.

Laborleiter Ulrich Martin rechnet mit „etwa fünf Jahren“, im kleinen Kreis hat er schon mal eine frühere Anwendung in der Klinik avisiert. Und seinem klinischen Partner, dem Transplantationschirurgen der Medizinischen Hochschule Axel Haverich, der vor Jahren für das Verpflanzen künstlicher Herzklappen den deutschen Zukunftspreis erhalten hatte, kann es sowieso nicht schnell genug gehen mit der experimentellen Zelltherapie. Er hat seine todkranken Patienten im Sinn. Doch jedem in der Gruppe ist klar: Ohne saubere Ergebnisse wird keine noch so liberale Ethikkommission der Welt, und auch nicht die in Hannover, grünes Licht geben.

Die Operation am Schwein ist ein vorvorletzter Schritt. Sie soll zeigen, ob das Transplantat aus menschlichem Gewebe sicher in das Herz der Tiere einwächst. Oder ob die Zellen zu wuchern beginnen, entarten, Narben bilden. Bevor man die Zelltherapie tatsächlich wie geplant an Säuglingen versucht, die mit schweren angeborenen Herzfehlern auf die Welt kommen, müssen noch ganz andere Fragen in vorklinischen Studien geklärt werden. Es muss etwa verhindert werden, dass das transplantierte Gewebe sich fehlerhaft koppelt mit dem Herzen des Empfängers und die daraus folgenden Herzrhythmusstörungen zum Herzversagen führen.

Künstliche Herzmuskeln sind schwächer

Die künstlichen Zellen, das haben schon davor die Experimente mit Mäuse- und Schweinepräparaten gezeigt, neigen zudem dazu, deutlich langsamer zu schlagen. Das kann man immerhin durch Spritzen von Adrenalin korrigieren. Schwer wiegt auch: Die Kontraktionskraft der künstlich gezeugten Herzmuskeln aus Hannover ist weltweit zwar unerreicht, sie ist aber immer noch drei- bis fünfmal so schwach wie die Kraft natürlich im Körper gereifter Muskeln.

George Kensah hat den Raum gewechselt, vom Mikroskopierraum einen Flur weiter, in den mit einem Warnschild und „S2-Genlabor“ gekennzeichneten BioII-Gruppenraum. Hier ist der Arbeitsmittelpunkt der zehnköpfigen Forschergruppe. Man muss sich solche Laborräume vorstellen wie eine überbevölkerte Werkstattzeile in einem Bürohochhaus. Überall und auf engstem Raum stehen Spezialautomaten, Plastikgefäße, Apothekerflaschen, Computermonitore und Instrumente, mit denen kein Normalsterblicher etwas anfangen könnte. Auch der böswilligste nicht. Biogefahren gehen von hier nicht aus.

Das Labor ist durchorganisiert wie eine sterile Schusterwerkstatt, aus der ein paar junge kreative Köpfe in weißen Kitteln eine Faustsche Studierstube gemacht haben. George Kensah geht an den Schrank mit den Bioreaktoren. 37 Grad zeigt eine Leuchte über der Tür an. Drinnen stehen vier handgefertigte Metallapparate. In deren Mitte, umgeben von Drähten und einem winzigen Gestänge: kleine Schälchen mit noch frischen Gewebestücken. „Die Zellen werden trainiert“, sagt Kensah.

„Ganz klar Richtung Massenproduktion“

Ein Kraftsensor stimuliert die künstlichen Muskelfasern von zwei Seiten, außerdem werden die Zellen über ein Kabel elektrisch stimuliert, sobald sie schwächer kontrahieren und die Schrittmacher erlahmen. Auf dem Monitor über dem Bioreaktorschrank sieht man die typischen EKG-Aufzeichnungen. Drei Kurven ähneln sich, sie stammen von Rattenzellen und pulsieren deutlich schneller, das vierte Präparat stammt von menschlichen Stammzellen ab. Ein paar Wochen vorher waren diese Zellen noch embryonale menschliche Stammzellen, kultiviert aus einer nach den Vorgaben des Stammzellgesetzes importierten Zelllinie aus den Vereinigten Staaten.

In den Petrischalen werden die Stammzellen in winzigen Tröpfchen kultiviert, den „hanging drops“. In diesen Tropfen, jeder für sich eine Art winziger Brutschrank, bilden sich Embryonalkörperchen, in denen die Stammzellen gehegt und gepflegt werden. Die Zellen sind „pluripotent“, sie können sich unbegrenzt vermehren, ohne zu altern, und man kann sie, je nach der chemischen Gestaltung des Milieus, in jede beliebige Zelle des Körpers umwandeln. Einhundertzwanzig dieser Tropfen hängen unter dem Deckel jeder Schale. Jeder Tropfen enthält am Ende gut tausend Zellen.

Früher noch, das heißt vor zwei oder drei Jahren, haben die Hannoveraner Forscher aus nur zwei Prozent der Stammzellen funktionsfähige Herzmuskelzellen erzeugt. Heute lassen sich achtzig Prozent der Zellen in zwei bis drei Wochen in den gewünschten Zelltyp umwandeln. „Die Entwicklung geht ganz klar in Richtung Massenproduktion“, sagt die achtunddreißig Jahre alte Gruppenleiterin Ina Gruh. Es ist ein regelrechter Kreativwettstreit um die Stammzellforschung entstanden. Ein weltweiter Ideenwettbewerb um Technologievorsprünge.

Reprogrammierung von Zellen ist möglich

Der „Bioreaktor“ für die Herzmuskelzellen ist ein Eigenprodukt der Hannoveraner. Julia Dahlmann, eine junge Wissenschaftlerin in Gruhs Labor, hat jüngst eine Doktorarbeit veröffentlicht, die einen weiteren gewaltigen Fortschritt bedeutet. Statt der 120 „hanging drops“ pro Petrischale werden in ihrer lithographisch hergestellten Agarose-Platte 3.600 solcher winzigen Stammzelltröpfchen Platz finden. Moores Gesetz, mit dem so oft schon die Vervielfachung der Leistungsdaten von Computerchips und damit die digitale Revolution beschrieben wurde, es wird in der Biotechnik derzeit deutlich überboten.

„Es geht an so vielen Fronten dramatisch voran“, sagt Institutschef Martin. Der fünfundvierzig Jahre alte Forscher ist der Typ von Führungsfigur, der mit einem besonderen Gespür für Talente ausgestattet ist und intuitiv den richtigen Zeitpunkt fürs Handeln kennt. Im Jahr 2002, die bioethische Debatte um das Stammzellgesetz war im vollen Gang und Habermas’ Warnung vor einem „Weg zu einer liberalen Eugenik“ in intellektuellen Kreisen heftig diskutiert, hatte sich Martin als einer der wenigen Forscher im Land auf die Kultivierung von embryonalen Stammzellen von Affen spezialisiert.

Die Techniken, die er dabei lernte, sollte er später bei der Züchtung von künstlichem Gewebe des Menschen bestens nutzen können. Das gilt vor allem für jene Zellen, die von 2007 an die biopolitische Lage und auch die Biomedizin als solche mit einem Schlag zu verändern versprachen. Dem japanischen Arzt und Molekularbiologen Shinya Yamanaka war es in Kyoto gelungen, gewöhnliche Hautzellen in einen embryonalähnlichen Zustand zurückzuversetzen. Die Reprogrammierung von Zellen des Körpers, die eigentlich als ausgereift und deshalb auch nicht für die Zelltherapie nutzbar schienen, lag plötzlich zum Greifen nahe.

Embryonenforschung könnte überflüssig werden

Die „induzierten pluripotenten Stammzellen“, kurz iPS, sollten die Embryonenforschung überflüssig machen - glaubten schon bald viele. Der Japaner hatte, fünfzig Jahre nachdem der Brite John Gurdon die Reprogrammierung des genetischen Programms von Zellen durch die Transplantation des Erbmaterials in Eizellen von Fröschen gelungen war, die Sache der Verjüngung genial vereinfacht: allein durch das Reaktivieren von vier einzelnen Genen - vier von mehr als zwanzigtausend menschlichen Genen.

So wird aus einer gewöhnlichen Hautzelle die biomedizinische Vielzweckwaffe Stammzelle. Sechs Jahre nach seinem Geniestreich, im vergangenen Dezember, erhielten Yamanaka und Gurdon dafür den Medizin-Nobelpreis. Medizinhistorisch fast über Nacht waren nun überall in der Welt die Labore auf die Herstellung von Yamanakas „Ipsen“ eingestiegen. Tausende sind es inzwischen. Auch in Martins Hannoveraner Labor war das so. Ein großer Teil der Stammzellen wird dort heute mit Hilfe von Yamanakas „Jungbrunnen-Trick“ aus Gefäßwand-, Haut- oder Nabelschnurblutzellen erzeugt.

Die Aussicht, auf ethisch unstrittigem Weg möglicherweise Zellersatz oder eines Tages auch Organersatz für Millionen von Herzinsuffizienz- und Herzinfarktpatienten mit der künstlichen Gewebezucht - Tissue Engineering - bereitzustellen, hat für einen unvergleichlichen Boom gesorgt. Eine Viertelmillion Menschen erleiden allein in Deutschland immer noch jedes Jahr einen Herzinfarkt, ungefähr 50.000 sterben daran.

Bessere Leistung von vier bis fünfzehn Prozent

Im Infarktgebiet, in dem die Durchblutung unterbrochen ist, stirbt das Herzmuskelgewebe ab. Biomedizinische Ansätze, diese Schwachstellen zu beseitigen, hat es schon viele gegeben. Für Furore haben etwa vor Jahren klinische Versuche mit bald mehreren hundert Patienten in Düsseldorf und Rostock gesorgt, denen man adulte Stammzellen direkt in den vernarbten Herzbeutel injiziert oder über einen Katheterschlauch durch die Gefäße ans Herz zugeführt hat.

Adulte Stammzellen sind weniger wandlungs- und teilungswillig als pluripotente Stammzellen. Ihre Erforschung wurde früh als ethisch opportune Alternative forciert, nicht zuletzt vom Vatikan. Im Knochenmark findet man besonders viele adulte Stammzellen, die hier die Blutzelltypen herstellen. Aber sie kommen, wenn auch in geringerer Dichte, im Fettgewebe sowie unter der Haut, im Haarbalg und Hirn, ja praktisch in allen Körpergeweben vor. Doch ihr Regenerationpotential ist klar eingeschränkt.

Bei den behandelten Patienten hat man nach der Zelltherapie zwar eine Erholung des Herzens festgestellt - um vier bis fünfzehn Prozent bessere Pumpleistungen. Aber bis heute ist nicht klar, ob sich die injizierten Stammzellen tatsächlich zu Herzmuskelzellen umwandeln und das Gewebe erneuern oder ob sie nicht vielmehr ein im Herzgewebe innewohnendes natürliches Regenerationspotential unterstützen. Vieles spricht für Letzteres. „Sicher, aber nicht effektiv“, urteilten unlängst die amerikanischen National Instituts of Health nach eigenen ausgedehnten Studien mit Knochenmarkstammzellen fürs Herz.

Aufwand ist bisher noch sehr hoch

Ulrich Martin ist sich wie seine Kollegen nicht sicher, welche Sorte von Stammzellen am Ende die Herzchirurgie umkrempeln wird. Yamanaka hat mit seinen „Ipsen“ zwar soeben eine erste klinische Versuchsreihe gestartet - allerdings züchtet er keine Herzmuskel, sondern Sinneszellen der Netzhaut, um damit von Blindheit bedrohten älteren Augenpatienten zu helfen. Um neue Medikamente zu testen, gibt es kaum idealere Zellen als die von Patientenzellen erzeugten iPS. Deshalb engagieren sich inzwischen auch die großen Pharmafirmen in einem europäischen Stammzellkonsortium.

Martins Labor ist maßgeblich auch daran beteiligt. Ob allerdings tatsächlich aus den ethisch unbedenklicheren iPS am Ende in großem Stil Zellersatz für die Anwendung an Patienten erzeugt wird, hält Martin für unentschieden. „Der Aufwand ist derzeit noch größer als bei embryonalen Zellen“, sagt Martin. Die iPS-Technik sei noch nicht klinikreif. Die Zellmenge reicht nicht, vor allem aber sucht man noch an einem Reprogrammier-Verfahren, mit dem verhindert wird, dass die Manipulation der Gene in den Zellen ohne dauerhafte Erbgutveränderungen möglich wird.