Ka-thump. Ka-thump. Ka-thump. Obwohl wir es die meiste Zeit kaum bemerken, ist das stetige Schlagen eines menschlichen Herzens eine erstaunlich komplexe Leistung. Wie ein Orchester müssen Tausende von Zellen ihre individuellen Darbietungen meistern und zusammenarbeiten. Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern den ersten Atlas der menschlichen Herzzellen erstellt, eine Sammlung von Karten, die fast eine halbe Million Herzzellen zeigen und die Rolle jedes einzelnen in der Herzsymphonie identifizieren. Die Forscher untersuchten sechs Regionen in 14 gesunden Spenderherzen und erstellten eine detaillierte Datenbank, die eine neue Vergleichsbasis für die Untersuchung von Herzerkrankungen, der weltweit führenden Todesursache, bietet. Um zu verstehen, was bei verschiedenen Formen von Herzerkrankungen falsch läuft, „müssen wir zuerst wissen, was normal ist“, sagt Christine Seidman vom Howard Hughes Medical Institute, eine kardiovaskuläre Genetikerin an der Harvard University und Direktorin des Cardiovascular Genetics Center am Brigham and Women’s Hospital. Seidman und Kollegen beschreiben den neuen Herzatlas am 24. September 2020 in der Zeitschrift Nature. „Ich kann meine Gedanken in einem Wort zusammenfassen: monumental“, sagt der Kardiologe Douglas Mann von der Washington University School of Medicine in St. Louis, der nicht an der Studie beteiligt war. „Ich denke, es ist eine wirklich große Leistung und wird eine enorme Referenzquelle für das Feld sein.“
Herzzellen haben sich als besonders schwierig zu untersuchen erwiesen. Im Gegensatz zu einigen Krebszellen und anderen Geweben gibt es keine Herzzellen, die im Labor unbegrenzt gezüchtet und untersucht werden können. Stattdessen wird viel Herzforschung mit Mäusen durchgeführt, deren Herzen wichtige Unterschiede zu menschlichen Herzen aufweisen. Und gesunde menschliche Herzen können schwer zu finden sein (die meisten werden in Transplantationen verwendet). Seidmans Team stützte sich auf jene ungewöhnlichen Fälle, in denen gesunde Herzen zur Transplantation abgelehnt und für die Forschung eingefroren werden konnten. Zunächst verwendeten die Forscher eine Hochdurchsatz-Sequenzierungsmethode, um individuelle Eigenschaften jeder Herzzelle zu definieren. Anschließend kartierten sie diese Zellen in sechs Regionen von 14 menschlichen Herzen, sieben von Männern und sieben von Frauen. „Zum ersten Mal haben wir eine Postleitzahl für jede Zelle, um zu wissen, zu welcher Population sie gehört“, sagt Seidman.
Das Team analysierte auch die RNA-Spiegel von Herzzellen mit fluoreszierenden Markern, um molekulare Details ihrer Funktion zu erhalten. Nicht nur zu identifizieren, wo sich Zellen befinden, sondern auch, welche Proteine sie produzieren, wird ein besonderer Segen für die Forschung sein, sagt Mann. Durch den Vergleich von Zellen in erkrankten Herzen mit denen in gesunden Herzen mithilfe des Atlas könnten Forscher beispielsweise Unterschiede feststellen und neue Therapien für Herzerkrankungen anvisieren.Obwohl die Forscher eine relativ kleine Gruppe von Herzen untersuchten („vierzehn Menschen können die Weltbevölkerung nicht replizieren“, sagt Seidman), enthüllte der neue Atlas einige biologische Überraschungen. Das Team fand bisher unbekannte Zellvielfalt in verschiedenen Teilen des Herzens. Sie deckten auch Unterschiede zwischen den gesunden Herzen von Männern und Frauen auf; Frauen hatten einen größeren Anteil an Herzmuskelzellen, Kardiomyozyten genannt, als Männer. Das rechtfertigt mehr Forschung, sagt Seidman, da diese Zellen Hinweise auf Unterschiede bei Herzerkrankungen zwischen den Geschlechtern enthalten könnten. Dennoch „sehen wir eine auffällige Heterogenität – in Bezug auf die verschiedenen Zelltypen, von denen wir heute wissen, dass sie das Gewebe des menschlichen Herzens ausmachen, und in Bezug auf die regionalen Unterschiede innerhalb des Herzens“, sagt der Kardiologe Hugh Watkins von der Universität Oxford in England, der nicht Teil des Studienteams war. „Es ist sicherlich ein viel komplizierteres Organ, als sich viele vorgestellt haben!“
Der Atlas ist Teil der Human Cell Atlas Initiative, einer von der Chan Zuckerberg Initiative finanzierten Initiative zur Kartierung aller Zelltypen im menschlichen Körper. „Dafür braucht es ein großes Dorf“, sagt Seidman. Ihre Gruppe arbeitete mit einem internationalen Expertenteam von der Herzoperation bis zur Computerbiologie zusammen, um den Datenbankatlas zu erstellen. Alle Daten sind unter http://www.heartcellatlas.org verfügbar. Als nächstes hoffen Seidman und ihre Kollegen, den Atlas auf eine vielfältigere Population auszudehnen (die ursprünglichen Herzen stammten alle von weißen Spendern). Sie beginnen auch, die Proteine, die in gesunden Herzzellen hergestellt werden, mit denen zu vergleichen, die von Herzerkrankungen betroffen sind. „Zu gegebener Zeit wollen wir wirklich wissen, wie die verschiedenen Zelltypen auf mikroskopischer und funktioneller Ebene zusammenpassen“, sagt Watkins. „Das ist ein weiteres ehrgeiziges Ziel, aber der hier bereitgestellte Atlas ist ein aufregender Start.“