Abstract:

Bis dato ist die pharmakologische Forschung bei der Quantifizierung der inotropen Wirkungen von Substanzen auf Tierexperimente angewiesen. Da der Einsatz von Tierexperimenten zunehmend auf Widerstand in der Gesellschaft stößt, wird seit den 1980'er Jahren intensiv an in-vitro-Verfahren zur Messung von Kraft und Spannung von Geweben geforscht. Die bisher entwickelten Verfahren sind entweder indirekte Messverfahren oder benötigen komplexe Messaufbauten, die eine standardisierte Anwendung in der Pharmaforschung verhindern. Darüber hinaus sind diese Verfahren noch immer auf den Einsatz von Geweben oder Teilen davon angewiesen, sodass auch sie nicht ohne den Einsatz von Versuchstieren auskommen. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines autokontraktilen Herzmuskelmodells auf der Basis des CellDrum-Systems unter Einsatz von humanen Stammzell-abgeleiteten Kardiomyozyten. Während das CellDrum-System eine standardisierte mechanische Charakterisierung von Zell-Monolayern und dünnen Gewebekonstrukten ermöglicht, kann durch den Einsatz von hiPS-abgeleiteten Kardiomyozyten auf den Einsatz von Versuchstieren verzichtet werden. Ein kritischer Punkt der Arbeit war die Langzeit-Kultur der Muskelzellen auf den PDMS-Membranen. Im Gegensatz zu anderen im Vorfeld untersuchten Zelltypen wie Endothelzellen oder Fibroblasten stellte die Kultur von Kardiomyozyten über einen längeren Zeitraum ein Problem dar, da diese Zellen sich durch ihre mechanische Aktivität von den Membranen ablösten. Aufgrund dieser Tatsache wurde eine Oberflächenmodifikation der CellDrum-Membranen etabliert. Diese Modifikation wurde charakterisiert um sicherzustellen, dass sie keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Systems hat. Die Modifikation der Oberfläche wurde im Hinblick auf die Biokompatibilität und die Adhäsionskinetik der Zellen hin untersucht. Es wurde eine Software zur Aufnahme der Messsignale und zur Steuerung des Tissue-Tension-Analyzers entwickelt, die auf die Spezifikationen für Signale von autokontraktilen Kardiomyozyten zugeschnitten ist. Darüber hinaus wurde eine Software zur Prozessierung der Messsignale entwickelt. Diese umfasste die auf die kardio-spezifischen Signale angepasste Signalverarbeitung und Analyse. Es wurden sowohl Monokulturen von hiPS-abgeleiteten Kardiomyozyten als auch Ko-Kulturen mit kardialen Fibroblasten auf die Wirkungen von Pharmaka hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das System in hohem Maße prädiktiv ist und die Wirkungen der Substanzen weitgehend mit den Literaturdaten aus Tierexperimenten übereinstimmen.