Forscher bauen künstliche Herzmuskelzellen nach

Ein Herzschrittmacher hilft, wenn das Herz aus dem Takt gerät. Er sendet elektrische Impulse und bringt den Rhythmus wieder in eine geregelte Bahn. Doch das echte Herz arbeitet feiner als klassische Elektronik. In seinen Muskelzellen bewegen sich geladene Teilchen durch winzige Kanäle. Natrium, Kalium und Kalzium bestimmen, wann eine Zelle feuert, pausiert und wieder bereit ist. In einer neuen Studie im Fachjournal Nature Communications berichtet ein Forschungsteam der schwedischen Universität Linköping nun von künstlichen Herzmuskelzellen aus leitfähigem Kunststoff.

Die Experten haben das System so gebaut, dass es die elektrischen Signale echter Herzmuskelzellen nachahmt. Es pumpt kein Blut und ersetzt keine echte Zelle. Die künstliche Zelle bildet aber jene elektrische Sprache nach, die den Herzmuskel im Takt hält. „Es gibt einen Grund, warum die Natur Herzmuskelzellen mit genau dieser Art elektrischer Signalgebung ausgestattet hat“, sagt Materialforscher Simone Fabiano.

Warum ein Herzschrittmacher von Herzzellen lernen könnte

Elektronische Bauteile sind meist darauf ausgelegt, Signale möglichst schnell weiterzugeben. Herzmuskelzellen funktionieren anders. Ihr elektrisches Signal steigt rasch an, bleibt kurz auf einem Plateau und klingt anschließend geordnet ab. Diese besondere Form entsteht, weil Natrium-, Kalium- und Kalziumkanäle nicht im gleichen Tempo arbeiten. Vor allem Kalziumkanäle reagieren langsamer. Erst durch diese Verzögerung kann die Zelle ihr Signal kurz halten, bevor sie wieder in den Ruhezustand zurückkehrt.

Für künstliche Herztechnik ist das ein schwieriger Maßstab. Ein Gerät muss nicht nur einen Impuls senden, sondern auch die biologische Logik verstehen, wenn es besonders nah am Körper arbeiten soll. „Gerade diese Langsamkeit erzeugt einen Engpass, wenn man mit traditioneller Elektronik arbeitet, die auf Geschwindigkeit ausgelegt ist“, sagt Dace Gao von der Universität Linköping. Organische Elektronik könne dagegen Ionen und Elektronen transportieren und deshalb „auf die gleiche Weise kommunizieren wie die Zellen im Körper“.

Die künstliche Zelle arbeitete mit Konzentrationen, die an echte Bedingungen im Körper angelehnt waren. Die Forscher nutzten 140 Millimol Natriumchlorid pro Liter und 5 Millimol Kaliumchlorid pro Liter. Das künstliche Herzsignal dauerte im Standardversuch rund 300 Millisekunden. Seine Plateauphase ließ sich zwischen 200 und 500 Millisekunden verändern. Damit ahmte das System verschiedene elektrische Eigenschaften von Herzkammerzellen nach.

Leitfähiger Kunststoff baut Herzsignale erstaunlich nah nach

Damit ein vollständiges Signal entstand, brauchte die künstliche Zelle einen Reiz von 10 Mikroampere über 20 Millisekunden. Ein zu schwacher Reiz löste nur ein kleines Signal aus. Ein zu starker Reiz störte die Rückkehr in den Ruhezustand. Der Versuch zeigt, warum Herzrhythmus mehr ist als bloßer Stromfluss.

Auch die kurze Erholungsphase nach einem Signal bildete das System nach. Mediziner sprechen von der Refraktärzeit. In dieser Zeit kann eine Herzmuskelzelle nicht sofort erneut voll reagieren. Beim Kunststoffsystem dauerte diese absolute Sperrzeit etwa 240 Millisekunden. Danach folgten rund 80 Millisekunden mit eingeschränkter Reizbarkeit. Nach 320 Millisekunden war die künstliche Herzmuskelzelle wieder bereit für ein vollständiges neues Signal.

Bei regelmäßiger Stimulation entstanden Signale wie bei einem Herzschlag. Die künstliche Zelle lief bei 60 Impulsen pro Minute eine Stunde lang stabil. Dabei veränderten sich Signaldauer und Stärke um etwa 20 Prozent. Die Forscher führen das auf den langsamen Abbau eines verwendeten Kunststoffmaterials zurück. Für ein Implantat im Körper reicht diese Stabilität noch nicht.

Was ein Herzschrittmacher künftig besser erkennen müsste

Die Ergebnisse helfen auch zu verstehen, warum Störungen im Elektrolythaushalt das Herz so stark belasten können. Herzmuskelzellen reagieren empfindlich auf Kalium und auf den Säuregrad ihrer Umgebung. Der normale Kaliumbereich im menschlichen Körper liegt laut Studie bei 3,5 bis 5,0 Millimol pro Liter. Abweichungen können den Herzrhythmus belasten.

Im Versuch veränderten andere Kaliumwerte die künstlichen Herzsignale deutlich:

3 Millimol Kaliumchlorid pro Liter verlängerten die Signaldauer.
1,5 Millimol führten zu einer anhaltenden elektrischen Erregung.
7,5 Millimol verkürzten die Signaldauer.
15 Millimol lösten eine vorzeitige Erregung ohne Plateau aus.

Auch der pH-Wert wirkte sich aus. Der normale Bereich im Körper liegt ungefähr zwischen 7,35 und 7,45. Bei einem pH-Wert von 6,5 verlängerte sich das künstliche Herzsignal. Bei pH 6,0 brach die elektrische Aktivierung zusammen. Solche Befunde erklären, warum Entgleisungen bei Salzen oder Säure-Basen-Werten das Herz so stark treffen können.

Künstliche Herzmuskelzellen hören auf lebende Herzsignale

Besonders nah an eine medizinische Anwendung rückte das System bei der Kopplung an lebende Herzmuskelzellen. Die Forscher nutzten Zellen, die aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnen wurden. Das Kunststoffsystem nahm deren bioelektrische Signale auf und passte seinen eigenen Rhythmus daran an.

„Die künstlichen Zellen müssen ein Signal von einer biologischen Zelle empfangen und dann an andere Zellen weitergeben können“, sagt Gao. Dann könnten sie als Brücke wirken. Langfristig denken die Forscher an kleine, natürlichere Herzschrittmacher, Implantate zur Muskelaktivierung oder Sensoren, die frühe elektrische Störungen im Herzen erkennen.

Bis dahin bleibt viel Laborarbeit. Die Materialien müssen im Körper lange stabil bleiben. Sie dürfen keine problematischen Entzündungsreaktionen auslösen. Außerdem muss die Technik die ständige Bewegung des Herzmuskels aushalten. „Da es sich um Hardware handelt, können wir kontrolliert untersuchen, wie Veränderungen etwa der Ionenkonzentration und des pH-Werts herzähnliche elektrische Signale beeinflussen“, sagt Fabiano. Der leitfähige Kunststoff ist damit noch kein neuer Herzschrittmacher, aber ein ungewöhnlich naher Nachbau der elektrischen Zelllogik des Herzens.

Kurz zusammengefasst:

Forscher der Universität Linköping haben künstliche Herzmuskelzellen aus leitfähigem Kunststoff entwickelt, die elektrische Signale echter Herzzellen nachahmen.
Das System bildet wichtige Eigenschaften des Herzschlags nach, darunter die kurze Plateauphase, die Erholungszeit nach einem Signal und Reaktionen auf Kalium- sowie pH-Veränderungen.
Ein neuer Herzschrittmacher ist daraus noch nicht entstanden, doch die Technik könnte langfristig helfen, natürlichere Herzimplantate und empfindlichere Herzsensoren zu entwickeln.

Übrigens: Während Forscher Herzsignale mit leitfähigem Kunststoff nachbauen, liefert eine andere Studie Hinweise auf eine erstaunliche Fähigkeit des Herzens: Entlastete Herzmuskelzellen können sich bei manchen Patienten offenbar erneuern. Mehr dazu in unserem Artikel.