Eisfreie Herzklappenkonservierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Andres Beiras Fernandez; Professorin Dr. Katja Schenke-Layland; Professorin Martina Seifert, Ph.D.; Professor Dr. Ulrich A. Stock
• Fachliche Zuordnung: Herz- und Gefäßchirurgie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249170726

Humane Herzklappen (Homografts) stellen nahezu optimale Klappensubstitute dar. Sie weisen eine optimale Hämodynamik und weitgehende Resistenz für Infektionen auf. Nachteil ist neben dem Unvermögen zum Wachstum eine, insbesondere im pädiatrischen Bereich, vorhandene Degeneration mit Funktionsverlust im Langzeitverlauf. Über Jahre hinweg wurde als Ursache dieses Versagens neben einer fraglichen immunologischen Antwort ein erhöhter Stoffwechsel bei Kindern postuliert. Während zu Beginn der klinischen Verwendung Allografts zunächst als sogenannte frische Gewebe ohne Konservierung transplantiert wurden, wird seit 1968 eine Kryokonservierung (KK) in der Gasphase von flüssigem Stickstoff vorgenommen. Die Applikation der multiphotonen Imaging Analyse (MIA) ermöglicht eine drei-dimensionale Darstellung von Elastin- und Kollagenstrukturen durch Induktion von Autofluoreszenz ohne Fixierung, Einbettung und Färbung. Mit Hilfe der MIA konnte unsere Arbeitsgruppe eine partielle Destruktion von extrazellulärer Matrix (ECM) in mit KK behandelten Schweineherzklappen darstellen. Da die Gesamtmenge der ECM nicht reduziert ist, wird als Pathomechanismus eine Zerstörung von Elastin- und Kollagenfasern durch die gefrierbedingten Eiskristalle angenommen.Die in der Pflanzenwelt vorkommende sogenannte Vitrifikation umgeht den physikalischen Prozess der Eiskristallbildung und überführt die Flüssigkeiten direkt in den Zustand des sogenannten Kälteglases. Da auch das Auftauen ohne Gewebeschäden einhergeht, ermöglicht die Vitrifikation erstmalig den kompletten Erhalt der extrazellulären Matrix. Da die Vitrifikation allerdings einer ähnlich komplexen Infrastruktur wie die aktuell verwendete KK bedarf, wurde die eisfreie Kryokonservierung (EFK) entwickelt.In einer aktuellen Studie konnte nun erstmalig bestätigt werden, dass eine veränderte ECM auch zu einer frühzeitigeren Degeneration der Herzklappen führt. EFK ermöglicht zudem nicht nur die tatsächliche Konservierung von ECM-Strukturen, sondern zeigt darüber hinaus eine antiinflammatorische Wirkung. So kann in EFK-Herzklappen praktisch keine T-Zell-Inflammation (CD3+ Zellen) mehr beobachtet werden. Die exakten Mechanismen dieser adaptiven Immunantwort sind ungeklärt. In von der Arbeitsgruppe durchgeführten Studien (Kombination von Schweineherzklappen mit humanen Leukozytenspenden) konnte gezeigt werden, dass EFK die Segelimmunität reduziert und eine Differenzierung der Spendermonozyten in Richtung Endothelzellen induziert. Entsprechend könnte die perspektivische Anwendung von EFK für xenogenes Gewebe das Problem der aktuell eingeschränkten Verfügbarkeit von Allografts lösen. Als einzige wesentliche Gerätevoraussetzung benötigt die EFK einen -80 Gefrierschrank. Eine Vereinfachung des Einfrierprozesses durch das Weglassen des Einfrierautomaten und der Lagerung in der Gasphase von flüssigem Stickstoff wird eine Anwendung auch in Drittwelt- und Schwellenländern mit limitierten finanziellen Resourcen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Kelvin Brockbank, Ph.D.