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Montag, 26.09.2016
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Funktionsfähige Muskeln aus dem Labor

Wissenschaftler züchten zum ersten Mal kontrahierende menschliche Muskel-Zellkulturen

US-Forscher haben erstmals funktionierende Muskelfasern im Labor gezüchtet. Diese aus menschlichen Muskelzellen bestehenden Fasern reagieren auf elektrische Reize und medizinische Wirkstoffe genau wie natürlich gewachsene Muskeln. Solche Zellkulturen könnten daher in Zukunft für die Tests neuer Medikamente und als Modell seltener Krankheiten dienen, schreiben die Wissenschaftler im Online-Journal "eLife".

Im Labor gezüchtete Muskeln kontrahieren erstmals genauso wie natürliche menschliche Muskelfasern.

Zellkulturen sind für Wissenschaftler ein wichtiger Forschungsgegenstand: An solchem im Labor gezüchteten Geweben lassen sich medizinische Untersuchungen durchführen, die an menschlichen Patienten nicht möglich sind. Dazu gehören zum Beispiel erste Tests neuer Medikamente. Dabei besteht jedoch ein Problem: Es ist schwer zu sagen, ob die im Labor gewachsenen Zellen noch dieselben Eigenschaften haben wie das Gewebe im Körper.

Muskelfasern aus Vorläuferzellen


Besonders knifflig ist dies bei Muskelgewebe: In seiner normalen Funktion zieht es sich auf Kommando zusammen – nur so können wir uns bewegen. Laborkulturen von menschlichen Muskelzellen waren dazu jedoch bislang nicht in der Lage. Als wissenschaftliches Modell waren sie daher nur sehr begrenzt einsetzbar. Forscher um Lauran Madden von der Duke University in Durham haben dieses Problem nun überwunden.

Den Anfang bildete eine kleine Probe von Vorläufern menschlicher Muskelzellen. Diese waren bereits über das Stadium von Stammzellen hinaus gewachsen, bildeten aber noch kein Muskelgewebe. Diese sogenannten "myogenen Vorläufer" vermehrten die Forscher zunächst und setzten sie dann auf ein Stützgerüst mit einem gelförmigen Nährmedium. Daran richteten sich die Zellen aus und bildeten schließlich funktionierende Muskelfasern.


Mikroskopische Aufnahme der im Labor gewachsenen menschlichen Muskeln. Die rote Färbung zeigt die typischen Streifen der Muskelfasern.

Mikroskopische Aufnahme der im Labor gewachsenen menschlichen Muskeln. Die rote Färbung zeigt die typischen Streifen der Muskelfasern.

Damit dies mit den menschlichen Zellen gelang, mussten zahlreiche Faktoren stimmen: "Wir haben sehr viel Erfahrung, künstliche Muskeln aus Tierzellen im Labor herzustellen", verdeutlicht Erstautorin Madden, "aber es hat immer noch ein Jahr gedauert, Variablen wie Zell- und Geldichte und optimales Kulturmedium anzupassen, damit das auch mit menschlichen Muskelzellen funktioniert."

Labor-Muskeln reagieren "menschlich"


Die gezüchteten Muskeln unterzogen die Wissenschaftler einer ganzen Reihe von Tests, um zu sehen, wie sehr sie natürlichem Gewebe im menschlichen Körper ähneln. Auf elektrische Reize reagierten die Kulturen genau wie das Vorbild und zogen sich zusammen – dies ist im Labor nie zuvor gelungen. Die Signalwege, auf denen im natürlichen Muskel die Nerven ihre Befehle übermitteln, funktionierten ebenfalls.

Weitere Tests zeigten zudem, dass die gezüchteten Muskelfasern die gleichen Nebenwirkungen auf bestimmte Medikamente zeigten wie menschliches Muskelgewebe im Körper. Bei Tests von Wirkstoffen an Mäusen ist das oft nicht der Fall. Die neuen Fasern könnten daher dabei helfen, verträglichere Medikamente zu entwickeln.


Laborkulturen für personalisierte Medizin


"Eins unserer Ziele ist, mit dieser Methode personalisierte Medizin für Patienten anzubieten", sagt Studienleiter Nenad Bursac von der Duke University. Aus einer Gewebeprobe könnten im Labor viele neue Muskeln heranwachsen, an denen sich dann in Experimenten der am besten geeignete Wirkstoff spezifisch für eine Person herausfinden lässt. Bis dahin dauert es vielleicht gar nicht mehr so lange: Die Wissenschaftler erforschen bereits zusammen mit Medizinern, inwiefern die Wirksamkeit von Medikamenten bei Patienten mit den Effekten auf die Labor-Muskeln übereinstimmt.

Außerdem wollen die Forscher die Muskeln zukünftig nicht nur aus Gewebeproben, sondern auch aus Stammzellen züchten. Sie hoffen, Zellkulturen damit auch zu Forschungsmodellen für seltene Krankheiten zu machen. "Bei manchen Krankheiten, etwa der Duchenne Muskeldystrophie, ist die Entnahme von Gewebeproben schwierig", erklärt Bursac. "Wenn wir funktionierende Test-Muskeln auch aus induzierten Stammzellen wachsen lassen könnten, könnten wir eine Haut- oder Blutprobe nehmen und müssten den Patienten danach nie wieder belästigen." (eLife, 2015; doi: 10.7554/eLife.04885)
(Duke University , 14.01.2015 - AKR)
 
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