Funktionelle Verbesserung und Reifung von ingenieerten Herzgeweben von Ratten und Menschen durch chronische elektrische Stimulation

Spontan schlagendes ingenieertes Herzgewebe (EHT) stellt ein fortschrittliches In-vitro-Modell für die Medikamententests und Krankheitsmodellierung dar, aber Kardiomyozyten in EHTs sind weniger reif und erzeugen geringere Kräfte als im erwachsenen Herzen. Wir entwickelten ein neuartiges Schrittmachersystem, das in ein Setup zur videooptischen Aufnahme der kontraktilen Funktion von EHT über die Zeit integriert ist, und untersuchten, ob eine kontinuierliche elektrische Feldstimulation die Eigenschaften von EHT verbessert. EHTs wurden aus neonatalen Rattenherzzellen (rEHT, n=96) oder aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC)-abgeleiteten Kardiomyozyten (hEHT, n=19) erzeugt. Die Pace mit biphasischen Pulsen wurde am Tag 4 der Kultur initiiert. REHT, die 16-18 Tage lang kontinuierlich mit 0,5 Hz stimuliert wurden, entwickelten 2,2× höhere Kräfte als nicht stimulierte rEHT. Dies spiegelte sich in einer höheren Kardiomyozytendichte im Zentrum der EHTs wider, erhöhten Connexin-43-Vorkommen, wie durch Zwei-Photonen-Mikroskopie untersucht, und bemerkenswert verbesserte Ultrastruktur der Sarkomere einschließlich regelmäßiger M-Bänder. Weitere Anzeichen für die Gewebereifung beinhalten eine Rechtsverschiebung (zu physiologischeren Werten) der Ca(2+)-Reaktionskurve, erhöhte Kraftantwort auf Isoprenalin und verringerte spontane Schlagfrequenz. Menschliche EHTs, die in der ersten Woche mit 2 Hz und danach mit 1,5 Hz stimuliert wurden, entwickelten am Tag 14 1,5× höhere Kräfte als nicht stimulierte hEHT, ein verbessertes muskuläres Netzwerk aus längsorientierten Kardiomyozyten und ein höheres Zytoplasma-zu-Kern-Verhältnis. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kontinuierliche Stimulation die strukturellen und funktionalen Eigenschaften von rEHTs und hEHTs auf ein bislang unerreichtes Niveau verbessert hat. Elektrische Stimulation scheint ein wichtiger Schritt zur Erzeugung von vollständig ausgereiften EHT zu sein.