Ein Biomaterial, das dafür entwickelt wurde, durch den Blutkreislauf zu wandern, könnte eine weniger invasive Möglichkeit bieten, Entzündungen zu lindern und die Selbstheilung von verletztem Gewebe zu unterstützen. In Tierversuchen verbesserte das injizierbare Material Gewebeschäden, die durch Herzinfarkte sowohl bei Nagetieren als auch bei Großtieren verursacht worden waren. Erste Proof-of-Concept-Experimente deuteten zudem darauf hin, dass derselbe Ansatz eines Tages auch bei anderen entzündungsbedingten Erkrankungen nützlich sein könnte, darunter traumatische Hirnverletzungen und pulmonale arterielle Hypertonie.
„Dieses Biomaterial ermöglicht die Behandlung von geschädigtem Gewebe von innen heraus“, sagte Karen Christman, Professorin für Bioingenieurwesen an der University of California San Diego und leitende Forscherin des Teams, das das Material entwickelt hat. „Es ist ein neuer Ansatz in der regenerativen Medizin.“ Die Ergebnisse wurden 2022 von einem Team aus Bioingenieuren und Ärzten in der Fachzeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlicht. Damals erklärte Christman, dass eine Studie am Menschen zur Überprüfung der Sicherheit und Wirksamkeit des Biomaterials innerhalb von ein bis zwei Jahren beginnen könnte.
Ein neuer Ansatz zur Reparatur von Herzschäden
Herzinfarkte gehören in den Vereinigten Staaten nach wie vor zu den schwerwiegendsten medizinischen Notfällen, mit geschätzten 785.000 neuen Fällen pro Jahr. Laut Daten der Weltgesundheitsorganisation und der EU-Statistik sterben auch in Europa jedes Jahr mehrere Millionen Menschen an Herz-Kreislauf-Erkrankungen insgesamt, und ein großer Teil davon entfällt auf Herzinfarkte und Schlaganfälle. Herz-Kreislauf-Erkrankungen machen in Europa rund ein Drittel aller Todesfälle aus und sind damit die häufigste Todesursache.
Wenn der Blutfluss zum Herzen blockiert ist, kann Herzgewebe geschädigt werden oder absterben. Der Körper reagiert darauf mit der Bildung von Narbengewebe, doch diese Narbe zieht sich nicht wie gesunder Herzmuskel zusammen. Mit der Zeit kann dies das Herz schwächen und zu einer Herzinsuffizienz beitragen. Derzeit gibt es keine etablierte Therapie, die das Herzgewebe nach einem Herzinfarkt direkt repariert. Die derzeitige Behandlung konzentriert sich auf die Wiederherstellung des Blutflusses, die Begrenzung weiterer Schäden und das Management des Risikos zukünftiger Herzprobleme.
„Koronare Herzkrankheit, akuter Myokardinfarkt und Herzinsuffizienz sind nach wie vor die schwerwiegendsten Probleme im Bereich der öffentlichen Gesundheit, die unsere Gesellschaft heute belasten“, sagte Dr. Ryan R. Reeves, Arzt in der Abteilung für Herz-Kreislauf-Medizin der UC San Diego. „Als interventioneller Kardiologe, der täglich Patienten mit koronarer Herzkrankheit und Herzinsuffizienz behandelt, würde ich mir sehr eine weitere Therapie wünschen, um die Behandlungsergebnisse zu verbessern und die belastenden Symptome zu lindern.“
Vom Herz-Hydrogel zur Infusion in den Blutkreislauf
Die Arbeit baut auf früheren Forschungen von Christmans Team auf, bei denen ein Hydrogel aus dem natürlichen Gerüst des Herzmuskelgewebes, auch bekannt als extrazelluläre Matrix (ECM), zum Einsatz kam. Dieses Gel war so konzipiert, dass es über einen Katheter direkt in den geschädigten Herzmuskel eingebracht werden konnte. Dort angekommen, bildet es eine Stützstruktur, die das Zellwachstum und die Gewebereparatur fördert. Die Ergebnisse einer erfolgreichen klinischen Phase-1-Studie am Menschen zu diesem früheren Hydrogel-Ansatz wurden im Herbst 2019 veröffentlicht. Die Studie ergab, dass die transendokardiale Injektion von VentriGel, einem Hydrogel aus der extrazellulären Matrix des Herzens, bei Patienten nach einem Herzinfarkt mit linksventrikulärer Dysfunktion sicher und durchführbar war, obwohl größere randomisierte Studien erforderlich wären, um zu prüfen, ob es die Ergebnisse verbessert.
Die Methode der direkten Injektion weist jedoch eine wesentliche Einschränkung auf. Da sie eine Injektion mit einer Nadel in den Herzmuskel erfordert, kann sie in der Regel nicht unmittelbar nach einem Herzinfarkt angewendet werden. Eine zu frühe Verabreichung könnte das Risiko weiterer Schäden bergen. Diese Herausforderung veranlasste die Forscher zu einer anderen Idee: einem Biomaterial, das während Eingriffen wie einer Angioplastie oder der Implantation eines Stents in ein Blutgefäß im Herzen infundiert oder über eine Infusion verabreicht werden könnte.
„Wir wollten eine Biomaterial-Therapie entwickeln, die an schwer zugängliche Organe und Gewebe verabreicht werden kann, und wir haben eine Methode gefunden, die den Blutkreislauf nutzt – also die Gefäße, die diese Organe und Gewebe ohnehin bereits mit Blut versorgen“, sagte Martin Spang, Erstautor der Studie, der in Christmans Gruppe am Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering promovierte.
Warum die intravenöse Verabreichung wichtig ist
Der auf dem Blutkreislauf basierende Ansatz verschafft dem Biomaterial einen großen praktischen Vorteil. Anstatt an wenigen Injektionsstellen zu verbleiben, kann es sich gleichmäßiger im geschädigten Gewebe verteilen. Das könnte es besonders wertvoll nach einem Herzinfarkt machen, wenn geschädigte Bereiche möglicherweise schwer direkt zu erreichen sind und Zeit eine entscheidende Rolle spielt. Die Studie in Nature Biomedical Engineering beschrieb das Material als ein intravaskulär infundiertes Biomaterial der extrazellulären Matrix, das aus dezellularisiertem, enzymatisch verdautem und fraktioniertem ventrikulärem Myokard hergestellt wurde. Das Material wurde so konzipiert, dass es sich durch Bindung an undichte Mikrogefäße im geschädigten Gewebe anreichert und innerhalb von etwa drei Tagen weitgehend abgebaut wird.
Um die injizierbare Version herzustellen, begannen die Forscher in Christmans Labor mit dem Hydrogel, das sie bereits entwickelt und auf Kompatibilität mit Blutinjektionen getestet hatten. Das Problem war die Partikelgröße. Das ursprüngliche Hydrogel enthielt Partikel, die zu groß waren, um beschädigte, undichte Blutgefäße effektiv anzusteuern.
Spang löste dieses Problem, indem er den flüssigen Vorläufer des Hydrogels in einer Zentrifuge aufbereitete. So konnte das Team größere Partikel abtrennen und nur Partikel in Nanogröße zurückbehalten. Das Material wurde anschließend dialysiert, steril gefiltert und gefriergetrocknet. Wenn dem fertigen Pulver steriles Wasser hinzugefügt wird, entsteht ein Biomaterial, das intravenös verabreicht oder in eine Koronararterie im Herzen infundiert werden kann.
Wie es verletztes Gewebe aufspürt
Als die Forscher das Biomaterial in einem Nagetiermodell für Herzinfarkte testeten, gingen sie davon aus, dass es durch undichte Blutgefäße in das geschädigte Gewebe gelangen würde. Nach einem Herzinfarkt können sich Lücken zwischen den Endothelzellen bilden, die die Innenseite der Blutgefäße auskleiden. Stattdessen beobachtete das Team etwas Überraschenderes. Das Biomaterial haftete an diesen Endothelzellen, trug dazu bei, die Lücken zu schließen, und schien die Heilung der Blutgefäße zu beschleunigen. Dieser Prozess reduzierte Entzündungen, eine der Hauptursachen für Gewebeschäden nach einer Verletzung.
Anschließend testeten die Forscher die Behandlung an einem Schweine-Modell für Herzinfarkte und erzielten ähnliche Ergebnisse. Bei Ratten und Schweinen mit induziertem akutem Myokardinfarkt, gefolgt von einer intrakoronaren Infusion, wurde das Biomaterial mit einem verringerten linksventrikulären Volumen, verbesserten Wandbewegungswerten und Veränderungen der Genexpression in Verbindung gebracht, die mit Gewebereparatur und Entzündung assoziiert sind.
Potenzial über das Herz hinaus
Obwohl sich der Großteil der Arbeit auf Herzinfarktschäden konzentrierte, testeten die Forscher auch, ob dasselbe Biomaterial auf andere entzündete Gewebe angewendet werden könnte. In Rattenmodellen fanden sie den Proof of Concept, dass der Ansatz bei traumatischen Hirnverletzungen und pulmonaler arterieller Hypertonie nützlich sein könnte. Das ist deshalb interessant, weil beide Erkrankungen schwer zugängliche Organe betreffen: Das Gehirn ist durch die Blut-Hirn-Schranke besonders geschützt, während die Lunge durch ihr feines Gefäßnetzwerk sehr empfindlich auf Entzündungen und Druckveränderungen reagiert. Wenn ein Material also gezielt über das Gefäßsystem wirkt, könnte es genau dort ansetzen, wo klassische Medikamente oft nur begrenzt ankommen.
Dieses breitere Potenzial ist einer der faszinierendsten Aspekte der Arbeit. Viele Organe und Gewebe sind direkt schwer zugänglich, werden jedoch alle von Blutgefäßen versorgt. Genau hier setzt die Idee an: Das Biomaterial nutzt die Gefäße nicht nur als Transportweg, sondern interagiert aktiv mit deren Innenwand, den Endothelzellen. Dadurch könnte es nicht nur in einem Organ wirken, sondern grundsätzlich in verschiedenen Geweben mit Gefäßschädigung oder Entzündung eingesetzt werden – etwa nach Schlaganfällen, Lungenentzündungen oder anderen Formen von akuten Gewebeschäden.
Wenn ein Biomaterial diese Gefäße als „Eintrittspforte“ nutzen kann, eröffnet das der regenerativen Medizin neue Möglichkeiten, weil es gezielt dorthin gelangt, wo Schäden entstehen, ohne dass große chirurgische Eingriffe nötig sind. „Während sich der Großteil der Arbeit in dieser Studie auf das Herz bezog, können die Möglichkeiten zur Behandlung anderer schwer zugänglicher Organe und Gewebe das Feld der Biomaterialien und des Tissue Engineering für die Behandlung neuer Krankheiten eröffnen“, sagte Spang.
Was sich seit der Studie von 2022 getan hat
Seit der ursprünglichen Studie wurde in weiterführenden Arbeiten untersucht, wie auf der extrazellulären Matrix basierende Biomaterialien die Regeneration nach einem Myokardinfarkt beeinflussen. Eine Studie aus dem Jahr 2025 in Nature Communications von Forschern unter der Leitung von Christman nutzte räumliche Transkriptomik und Einzelkern-RNA-Sequenzierung, um zu untersuchen, wie injizierbare Biomaterialien auf Basis der extrazellulären Matrix das Herzgewebe nach einem Myokardinfarkt beeinflussen. Die Studie fand in Rattenmodellen reparationsfördernde Signale, die Immunmodulation, die Entwicklung von Blutgefäßen und Lymphgefäßen, die Aktivierung von Fibroblasten, die Rettung von Herzmuskelgewebe, die Proliferation glatter Muskelzellen und die Neurogenese umfassten.
Diese späteren Arbeiten ersetzten zwar nicht die Notwendigkeit klinischer Tests des intravaskulären Biomaterials, lieferten jedoch detailliertere Erkenntnisse darüber, wie diese Klasse von Therapien mit extrazellulärer Herzmatrix die Heilung auf zellulärer und regionaler Ebene in geschädigten Herzen beeinflussen kann. Ventrix Bio, Inc., das von Christman mitbegründete Start-up, hat ebenfalls die Entwicklung der entsprechenden kardialen extrazellulären Matrix-Technologie vorangetrieben. Ein Eintrag auf ClinicalTrials.gov zu VentriGel beschreibt eine von der Emory University geförderte offene Phase-1-Studie bei Kindern mit hypoplastischem Linksherzsyndrom, um die Sicherheit und Durchführbarkeit der intramyokardialen Injektion des extrazellulären Matrixmaterials von Ventrix Bio zu bewerten. Zum Zeitpunkt des Zugriffs wurden für diese Studie noch keine Teilnehmer rekrutiert.
Nächste Schritte für Tests am Menschen
Christman und Ventrix Bio planen, die FDA-Zulassung zu beantragen, um das neuere intravaskuläre Biomaterial bei Herzerkrankungen am Menschen zu untersuchen. Sollte die Zulassung für klinische Tests erteilt werden, müsste die Therapie nachweisen, dass sie sicher, praktisch in der Anwendung und wirksam genug ist, um die Behandlungsergebnisse der Patienten zu verbessern. Derzeit befindet sich die Behandlung noch im Versuchsstadium. Doch ihr Reiz liegt auf der Hand: Anstatt direkte Injektionen in den Herzmuskel zu erfordern, könnte sie potenziell über bestehende, auf Blutgefäßen basierende Verfahren oder intravenös verabreicht werden und das geschädigte Gewebe von innen erreichen. „Ein Hauptgrund, warum wir schwere koronare Herzkrankheiten und Herzinfarkte behandeln, ist die Vorbeugung einer linksventrikulären Dysfunktion und des Fortschreitens zu einer Herzinsuffizienz“, sagte Dr. Reeves. „Diese einfach zu verabreichende Therapie hat das Potenzial, eine bedeutende Rolle in unserem Behandlungsansatz zu spielen.“