ArchivDeutsches Ärzteblatt8/2000Gewebezüchtung: (Tissue Engineering) von Herzklappen

MEDIZIN: Aktuell

Gewebezüchtung: (Tissue Engineering) von Herzklappen

Dtsch Arztebl 2000; 97(8): A-448 / B-396 / C-358

Haverich, Axel; Steinhoff, Gustav; Stock, Ulrich; Bader, Augustinus

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LNSLNS Der chirurgische Herzklappenersatz ist ein etabliertes Behandlungskonzept bei schweren Herzklappenerkrankungen. Die Wiederherstellung von vitalem Herzklappengewebe ist bisher allerdings nicht durch die Entwicklung von biologischen oder mechanischen Herzklappenprothesen erreicht worden. Demnach wirken sich die Limitationen der Gewebekompatibilität (Thrombogenizität, Degeneration biologischer Klappen) auf die Langzeitfunktion und Sekundärkomplikationen aus. Ein neues Konzept für einen biologischen Herzklappenersatz ist die In-vitro-Gewebezüchtung mit autologen Zellen, die die Möglichkeit der Wiederherstellung vitalen Klappengewebes eröffnet. In dieser Übersicht werden der derzeitige Entwicklungsstand und die klinische Bedeutung dieser neuen Methodik dargestellt. Schlüsselwörter: Gewebezüchtung, Herzklappenersatz, Herzchirurgie, bioresorbierbares Polymer, biologische Matrix


Tissue Engineering of Valvular Prostheses
Standard therapy in patients with severe valvular heart disease is surgical valve replacement. Until now the development of biological and mechanical heart valve prostheses could not reconstitute vital valvular tissue. Therefore limitations of tissue compatibility (thrombogenicity, longterm degeneration) influence longterm durability and secondary complications. A new concept for biological heart valve replacement is in vitro tissue engineering using autologous cells for reconstruction of vital valvular tissue. This review discusses the current state and clinical perspectives of this new development.
Key words: Tissue engineering, heart valve replacement, cardiac surgery, bioresorbable polymer, biological matrix


Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind weltweit nach wie vor die führenden Morbiditäts- und Mortalitätsfaktoren. Pathologische Veränderungen der Herzklappen stellen dabei eine bedeutende Untergruppe mit weltweit schätzungsweise 300 000 Operationen pro Jahr dar. Davon werden alleine gut 14 000 Eingriffe in Deutschland durchgeführt (3). Die zurzeit verwendeten künstlichen oder biologischen Klappenprothesen können zwar eine weitgehend physiologische Ventilfunktion wieder herstellen, zeigen jedoch signifikante Limitationen. Sie benötigen entweder eine lebenslange Antikoagulation, einhergehend mit einer latenten Infektionsgefahr, oder haben eine durch Degeneration bedingte kürzere Langzeitfunktion. Humane Klappentransplantate (Homo- oder Allografts) verfügen über ein ideales Flussprofil und sind weitgehend immun gegenüber Infektionen. Sie sind jedoch durch Organspendermangel nur begrenzt verfügbar, besitzen ein immunologisches Potenzial und haben eine durch Verkalkung und Degeneration eingeschränkte Langzeitfunktion von fünf bis 15 Jahren. Keine der zur Zeit verwendeten Klappenmodelle besitzt ein Wachstumspotenzial mit der daraus besonders für Kinder resultierenden Notwendigkeit wiederholter Operationen. Das ideale Klappensubstitut stellt eine Kopie einer gesunden nativen Herzklappe dar. Diese sollte ideale Flusseigenschaften besitzen, keine immunologische Barriere darstellen und durch eine konfluente Endothelzellschicht auf Antikoagulantien komplett verzichten. Durch die natürliche Fähigkeit zur Regeneration ist sie unbegrenzt haltbar und wächst bei pädiatrischen Patienten mit (Tabelle).
Der junge Forschungsbereich der Gewebezüchtung (Tissue Engineering) stellt einen viel versprechenden Ansatz dar, eine solche ideale Herzklappe herzustellen.
Herzklappenersatz durch Gewebezüchtung
Tissue Engineering ist ein interdisziplinärer Forschungsbereich, der Ingenieurwissenschaften mit zellbiologischen Fachbereichen verbindet mit dem Ziel, vitales autologes Gewebe zur Wiederherstellung, zum Erhalt oder zur Verbesserung von erkranktem oder zerstörtem Gewebe und Organen zu schaffen (8). Die Grundidee ist hierbei die Herstellung von neuem funktionellen Gewebe basierend auf einem biodegradablen und resorbierbaren Grundgerüst in Form des zu ersetzenden Organs (zum Beispiel Blutgefäß oder Herzklappe). Dieses wird mit autologen Zellen, zum Beispiel mit von Venenbiopsien gewonnenen Gefäßwandzellen (Fibroblasten [FB], glatten Muskelzellen [SMC] und Endothelzellen [EC]), besiedelt. Während die Zellen extrazelluläre Matrix produzieren und dem Gewebe so zunehmende Struktur und Stabilität verleihen, wird das Grundgerüst schrittweise degradiert. Nach kompletter Resorption verbleibt einzig das neu geschaffene funktionsfähige Zell-Matrix-Gewebe.
Klappengerüst aus biodegradablen Polymeren
Während erste Ansätze der Gewebezüchtung für den Hautersatz bereits Mitte der siebziger Jahre zu finden sind, begann die Verwendung dieses Konzepts für die Entwicklung von Herzklappen 1994 in Boston. Hierbei wurde in der Arbeitsgruppe der Professoren John Mayer und Joseph Vacanti für das Grundgerüst ein Kopolymer von Polyglycolsäure (PGA) und Polylactidsäure (PLA) benutzt. Dieses Polymer ist hinreichend durch seine Verwendung für resorbierbare Nahtmaterialien (VicrylTM/DexonTM) bekannt. Nach Besiedlung mit autologen Gefäßzellen gelang in einem ersten Schritt der Ersatz eines einzelnen Pulmonalklappensegels (6). In einer nachfolgenden Studie wurde unter Verwendung desselben Konzepts ein Segment der Pulmonalarterie ersetzt (7). Nach erfolgreicher Resorption des Polymers wurde ein adäquates Wachstum der angezüchteten Arterie mit korrespondierender Zunahme zellulärer und extrazellulärer Komponenten nachgewiesen. Versuche einen trikuspidalen Ersatz mit PGA/PLA durchzuführen, scheiterten an der geringen Elastizität des so geschaffenen Gerüstes. Die intrinsische Steifheit des Polymers veranlasste die Bostoner Arbeitsgruppe alternative Polymere zu verwenden. Polyhydroxyoktanoide (PHO) (Metabolix Inc. Cambridge, MA, USA) sind biologische, von apathogenen Bakterien hergestellte, thermoplastische Polymere mit hoher Elastizität (11). Hiermit gelang es erstmalig, ein trikuspidales klappentragendes Conduit herzustellen (Abbildung 1). Nach Besiedlung mit autologen Gefäßzellen (primär mit FB und SMC und nachfolgend mit EC) wurde das Konstrukt nach Resektion der nativen Klappensegel in die suprapulmonale Pulmonalarterienposition in einem juvenilen Schafmodell implantiert (n=8). Postoperativ wurde auf jegliche Antikoagulation verzichtet. Explantate zeigten nach acht Wochen in vivo eine glatte Auskleidung des Conduits mit Gefäßwandzellen ohne Anzeichen für eine Thrombosierung (Abbildung 2). Nachuntersuchungen bis zu sechs Monaten zeigten eine suffiziente Klappenfunktion. Bedingt durch die lange Degradationszeit von PHO (mehr als zwölf Monate) konnte jedoch bedauerlicherweise kein Wachstum beobachtet werden(10). Hauptprobleme des auf Polymerbasis beruhenden Konzepts sind die derzeit noch als unbefriedigend zu bezeichnenden Polymercharakteristika. Eine Eigenschaft eines idealen Polymers für kardiovaskuläre Strukturen sollte die komplette Degradation und Resorption im Zeitraum von sechs bis acht Wochen ohne Fremdkörperreaktion sein. Des Weiteren sollte ein solches Polymer elastisch sein und bei gegebener Thermoplastizität für Spritzgussverfahren verwendet werden können. Spritzgussverfahren ermöglichen die Herstellung naturidentischer Klappengerüste mit sämtlichen anatomischen Einzelheiten (Sinus valsalvae) und exakten Klappensegeldimensionen. Neue Polymere wie Poly-4hydroxybutyraten mit signifikant kürzerer Degradationszeit befinden sich hierfür zurzeit in der Erprobung.
Xenogene Matrix als Grundgerüst
Um oben genannte Probleme zu umgehen, verfolgt die Hannoveraner Arbeitsgruppe einen alternativen Ansatz und verwendet eine biologische Matrix als Grundgerüst. Hierbei wird eine xenogene Herzklappe (Schwein) nach Explantation mit enzymatischen und chemischen Reagenzien azellularisiert (Abbildung 3a und 3b) (1, 12). Nach erfolgter Entfernung der Zellen wird das zurückbleibende Matrixgerüst, welches aus Kollagenen, Elastin und Proteoglykanen besteht, mit autologen vaskulären Zellen wieder besiedelt (Abbildung 3c und 3d). Anders als beim Polymerkonzept wird dieses nach Besiedlung nicht degradiert sondern metabolisiert. Diese Metabolisierung ist ein auch im Rahmen des natürlichen Regenerationsprozesses nativer Klappen stattfindender Prozess, der von endogenen Proteasen (Metalloproteasen) und deren Inhibitoren (TIMP) gesteuert wird. Subkutane Implantationen dieser xenogenen Matrix (Schwein) zeigten nach Azellularisierung in einem Rattenmodell eine minimale Rest-Immunogenität. In-vitro-Versuche zeigten nach Besiedlung der Matrix mit einer Mischpopulation von glatten Muskelzellen und Fibroblasten eine Migration der Empfängerzellen in die Spendermatrix. Im Großtierversuch (juveniles Schaf) wurden kurze Segmente der Arteria carotis entnommen und die einzelnen Gefäßwandzellen (FB, SMC, EC) isoliert. Klappenkonstrukte wurden nach Schichtbesiedlung mit einer initialen Mischpopulation von Fibroblasten und glatten Muskelzellen und nachfolgend Endothelzellen in supravalvulärer Klappenposition implantiert (n=6). Es wurde auf jegliche postoperative Antikoagulation verzichtet. Während nach zwei Wochen noch Restspendermatrix nachgewiesen werden konnte (Abbildung 4b), war diese nach einer vierwöchigen Laufzeit vollständig metabolisiert und mit Zellen rebesiedelt (Abbildung 4d). Die Morphologie der Klappenconduits war in den bis drei Monate durchgeführten Verlaufskontrollen normal mit vitalem Klappengewebe (Abbildung 4a und 4c). Die echokardiographischen Verlaufskontrollen zeigten in allen Fällen eine intakte und kompetente Klappenfunktion (9). Herzklappenmodelle im Vergleich
Der Amerikaner Dwight Harken führte 1959 den ersten erfolgreichen Klappenersatz in anatomischer Aortenposition durch (2). Mit der Kugel-Käfig-Klappe gelang ihm die erste erfolgreiche Therapie einer schweren Aortenklappeninsuffizienz. Bedingt durch Materialermüdung und ungünstige Hämodynamik kam es bei diesem Modell jedoch zu fatalen Komplikationen, so wurde bereits früh nach alternativen Klappenprothesen (künstlicher oder biologischer Natur) gesucht. Es gelang die Entwicklung künstlicher Herzklappen mit exzellenter Langzeitfunktion von über 25 Jahren. Bessere Flusseigenschaften ohne Antikoagulation können mit biologischen Prothesen erzielt werden. Diese Vorteile sind mit dem Nachteil einer kürzeren Haltbarkeit verbunden. Das Verfahren der Autotransplantation (Ross-Operation) der autologen Pulmonalklappe in die Aortenposition zeigt hervorragende kurz- und mittelfristige Ergebnisse, benötigt jedoch ein Klappensubstitut zum Ersatz der verwendeten Pulmonalklappe. Die hierzu standardmäßig verwendeten humanen Klappen (Homo- oder Allografts) sind durch den bestehenden Organspendermangel nur begrenzt verfügbar und besitzen weder Regenerations- noch Wachstumspotenzial. Das Verfahren der Gewebezüchtung ist ein vielversprechender Ansatz zur Entwicklung einer idealen Herzklappe. Die zurzeit verfolgten Konzepte unter Verwendung von biodegradablen Polymeren oder azellulärer Trägergrundstruktur (xenogene Matrix) befinden sich in frühen Entwicklungsstadien. Bis zur Durchführung einer klinischen Studie bedarf es weiterer Langzeitversuche in Tiermodellen. Avitale (biologische) oder künstliche Klappenmodelle werden einem beschleunigten Testverfahren in so genannten Pulsduplikatoren unterzogen, wobei bis zu 3000 Tragezyklen pro Minute simuliert werden können (4). Für die Austestung delikater Strukturen, wie die einer lebenden durch Zellkultur gezüchteten Herzklappe, ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Die Austestung verlangt hier eine biologische Umgebung, wie sie zurzeit nur in einem Großtiermodell vorzufinden ist.
Sämtliche In-vivo-Untersuchungen werden derzeit in der Pulmonalzirkulation getestet. Sollten diese Experimente weiterhin erfolgreich sein, so ist eine erste klinische Anwendung bei einem adulten Patientenkollektiv denkbar. Geplant ist die Verwendung als Ersatz der nativen Pulmonalklappe bei der RossOperation. Im weiteren Verlauf ist der Einsatz für die Korrektur kongenitaler Vitien wie Pulmonalatresie und Truncus arteriosus möglich. Der Großteil der weltweit durchgeführten Klappeneingriffe, ob zur Rekonstruktion oder zum Ersatz, findet an der Aortenklappe und Mitralklappe statt. 1997 wurden von den 11 979 isolierten Klappeneingriffen in Deutschland über 98 Prozent an diesen Klappen vorgenommen (3). Inwiefern die Daten von den Versuchen im Niederdrucksystem auf die Systemzirkulation übertragbar sind, bleibt spekulativ. Experimente hierzu befinden sich zurzeit in der Vorbereitung.
Resümee
Erste vorklinische Implantationsdaten von vitalen Herzklappen aus Gewebezüchtung in supravalvulärer Pulmonalposition sind viel versprechend. Bis zur möglichen klinischen Austestung bedarf es jedoch noch ausgiebiger Versuchsreihen. Als realistisch für den Beginn einer klinischen Anwendung ist in Abhängigkeit der Dauer der Tierversuchsreihen ein Zeitpunkt zwischen zwei bis zu fünf Jahren anzusehen. Bis dahin bleibt eine Fortsetzung der derzeitigen Klappenersatzstrategien zu empfehlen. An der Medizinischen Hochschule Hannover wird für die Therapie der Aorteninsuffizienz (besonders bei aneurysmatischen Veränderungen der Aorta ascendens) derzeit primär eine klappenerhaltende Rekonstruktion (Operation nach David) angestrebt. Bei nicht rekonstruierbaren Vitien der Aortenklappe sollte individuell zwischen künstlicher, biologischer Klappe oder einem humanen Transplantat (mit oder ohne Ross-Operation) gewählt werden. Als Mittel der Wahl für pädiatrische Patienten ist die humane Klappentransplantation zu betrachten.


Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 2000; 97: A-448-451
[Heft 8]
Literatur
1. Bader A, Schilling T, Teebken OE et al.: Tissue engineering of heart valves - human endothelial cell seeding of detergent acellularized porcine valves. Eur J Cardiothorac Surg 1998; 14(3): 279-284.
2. Harken DE, Soroff HS, Taylor WJ et al.: Partial and complete prosthesis in aortic insufficiency. J Thorac cardiovasc Surg 1960; 40: 744-762.
3. Kalmar P, Irrgang E: Cardiac surgery in germany during 1997. A report by the german society for thoracic and cardiovascular surgery. Thorac Cardiovasc Surg 1998; 46: 307-310.
4. Love JW: Biological and engineering problems of tissue heart valves. In: Autolgous tissue heart valves. R.G. Landes Company Austin 1993: 23-33.
5. Mayer JE: Uses of homograft conduits for right ventricle to pulmonary artery connections in the neonatal period. Sem Thorac Cardiovasc Surg 1995; 7(3): 130-132.
6. Shinoka T, Breuer C, Tanel R et al.: Tissue engineering heart valves: valve leaflet replacement study in a lamb model. Ann Thorac Surg 1995; 60: 513-516.
7. Shinoka T, Shum-Tim D, Ma P et al.: Creation of a viable pulmonary artery autograft through tissue engineering. J Thorac Cardiovasc Surg 1998; 115: 536-546.
8. Skalak R, Fox CF: Tissue engineering. In: Nerem RM, eds.: Ann Biomed Eng 1991; 19: 529-533.
9. Steinhoff G, Stock U, Mertsching H et al.: Tissue engineering of pulmonary heart valves on allogenic acellular matrix conduits. Circulation 1999; 100 (18): I-528.
10. Stock UA, Nagashima M, Khalil P et al.: Tissue engineered valved conduits in the pulmonary circulation. J Thorac Cardiovasc Surg 2000; (im Druck).
11. Williams SF, Martin DP, Horowitz DM, Peoples OP: PHA applications: Adressing the price performance issue. I. Tissue engineering. Int J of Biol Macromoelcules 2000; (im Druck).
12. Wilson GJ, Courtman DW, Klement Pet al: Acellular matrix: a biomaterials approach for coronary artery bypass and heart valve replacement. Ann Thorac Surg 1995; 60(2): 353-358.
Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Gustav Steinhoff
Klinik für Thorax-, Herz- und
Gefäßchirurgie
Medizinische Hochschule Hannover
Carl-Neuberg-Straße 1 30623 Hannover
E-Mail: Steinhoff@thg.mh-hannover.de

Abbildung 1: Aufsicht auf ein unbesiedeltes Klappengerüst (18 mm Ø, 20 mm Länge, 2 mm Wandstärke). Conduitwand aus Polyhydroxyoktanoiden (PHO) und Polyglycolsäure (PGA); einzeln eingenähte Klappensegel aus 120 µm dickem porösem PHO.

1 Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie (Direktor: Prof. Dr. med. Axel Haverich), Medizinische Hochschule Hannover
2 Department of Surgery, Tissue Engineering and Organ Fabrication Laboratory (Director: Prof. Joseph P. Vacanti, M. D.), Massachusetts General Hospital, Boston, Massachusetts, USA

Tabelle Herzklappenersatz: Charakteristika derzeitiger Ersatzverfahren
Herzklappenmodell biologisch künstlich humanes "idealer
(xenogen) Transplantat Herzklappen ersatz"


autologes Gewebe - - - +
kein Infektionsrisiko +/- - (+) +
keine Antikoagulation + - + +
Haltbarkeit 5 - 10 Jahre > 25 Jahre 5 - 15 Jahre lebenslang
unbegrenzt verfügbar + + - +
Wachstumspotenzial - - - +
Regenerationsfähigkeit - - - +
ideale Flusseigenschaften (+) +/- + +

Abbildung 2: Makroskopische Darstellung eines Polymer-Klappenkonstrukts acht Wochen nach Implantation in supravalvulärer Pulmonalklappenposition. Glatte Auskleidung der Conduitwand mit frei beweglichen Klappensegeln ohne Anzeichen für eine Thrombosierung.

Abbildung 3: a) Histologie einer normalen Pulmonalklappe (Hämalaun-Kernfärbung). b) Mit enzymatischen Reagenzien azellularisierte Schweineherzklappe (Hämalaun-Kernfärbung). c) Fluoreszenz-Färbung der Klappenoberfläche nach Rebesiedlung mit menschlichen Endothelzellen. d) Immunhistologische Anfärbung der konfluenten Endothelschicht mit Faktor-VIII-Antikörper.

Abbildung 4: a) Morphologie einer besiedelten azellularisierten Pulmonalklappe 2 Wochen nach Transplantation. b) Histologie dieser Herzklappe: Auswachsen von neuem vitalen Klappengewebe auf der Matrixunterschicht. c) Normale Morphologie einer besiedelten azellularisierten Pulmonalklappe vier Wochen nach Transplantation. d) Histologie: Zellulär restituiertes Klappengewebe. Die metabolisierte Spendermatrix ist nicht mehr nachweisbar.

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