Anwendungsbeispiel »Stammzelltechnologien«

2D und 3D Plattformen des menschlichen Herzens

Ein Schwerpunkt unserer Stammzellforschung liegt auf der translationalen Erforschung des Herzens. Dafür nutzen wir adherente Zellkultursysteme basierend auf Herzmuskelzellen aber auch komplexere, multizelluläre 3D-Herzorganoide.

In funktionellen Assays lassen sich unter anderem Kontraktionsverhalten und weitere wichtige physiologische Parameter analysieren. Mit diesen Plattformen können Herzerkrankungen wie Hypertrophie oder ein Myokardinfarkt nachgebildet werden, um die Wirksamkeit neuer Therapieansätze zu testen. Zusätzlich können Sicherheitsparameter erfasst und potenzielle Nebenwirkungen auf das Herz bewertet werden – ein wichtiger Beitrag zur sicheren Entwicklung neuer Medikamente.

Nutzung der differenzierten Herzzellen und Herzorganoiden

Von Vorläuferzellen über funktionale Herzzellen zu Herzorganoiden

Skalierbare Differenzierung von menschlichen iPS-Zellen in Kardiomyozyten, Fibroblasten, Endothelzellen
Differenzierung von Reporterzelllinien
Differenzierung von iPS-Zelllinien mit genetischen Mutationen
Individualisierte und flexible Zusammensetzung von multizellulären Herzorganoiden nach dem »Baukastenprinzip«

Krankheitsmodelle

Nutzung in Krankheitsmodellen von Herz-Kreislauf-Erkrankungen:

Herzinfarkt
Herzfibrose
Hypertrophie
Genetische Erkrankungen wie hypertrophe Kardiomyopathie

Anwendungen

Toxizitätsbeurteilung u. a. mittels Viabilitätsmessungen, Zytotoxizitätsbestimmungen, Biomarkermessungen
Wirkstoffcharakterisierung in Einzelzellen oder komplexen Zellkultursystemen
Elektrophysiologische Analysen mittels Multielektroden-Array-Messungen (iPSC-abgeleitete Kardiomyozyten) oder videobasierter Kontraktionsmessungen schlagender Herzorganoide
Histologische und immunzytochemische Methoden zur Beurteilung phänotypischer und morphologischer Veränderungen
Interzelluläre Kommunikation und Beeinflussung im multizellulären Herzorganoid
Herzorganoide mit Immunkompetenz: Integration von iPSC-abgeleiteten Makrophagen

Technologien zur Charakterisierung in 2D und 3D

Elektrophysiologie
Histologie
2D- und 3D-Immunzytochemie
Genexpressions- und Proteinanalysen
Viabilitäts-, Zytotoxizitätsbestimmungen
Biomarkersekretion
Einzelzell- oder gesamt RNA-Sequenzierungen
Fibrose- und Angiogenese-Analysen

Weiterführende Informationen

Miniherzen: Herzorganoide mit Immunsystem

Presseinformation vom 5.5.2025: »Miniherzen: Herzorganoide mit Immunsystem - Multizelluläre humane kardiale Organoide für die Medikamentenforschung«

Zur Presseinformation

Was sind Herzorganoide?

Schnitte von Herzorganoiden — © Fraunhofer ITEM
Immunfluoreszenzfärbung von mehreren eingebetteten Organoiden. Gefäßzellen (CD31+, gelb) ordnen sich in zusammenhängenden Strukturen zwischen den Kardiomyozyten (cTnT+, lila) im Organoid an. Blau gefärbt sind die Zellkerne zu erkennen (Hochst+). Skala 500 µm.

Herzorganoide sind dreidimensionale Gewebsmodelle, die zentrale strukturelle und funktionelle Eigenschaften des menschlichen Herzens abbilden und damit klassische zweidimensionale Zellkulturansätze deutlich erweitern.

Die räumliche Organisation unterschiedlicher Zelltypen ermöglicht eine physiologisch relevantere Testplattform und verbessert so die Aussagekraft translationaler Forschungsansätze.

Relevante Publikationen zu Stammzelltechnologien des Herzens

Kiselev E, Agyapong W, Jürgens B, Mohr E, Chatterjee S, Hunkler HJ, Salman J, Cipriano G, Bentele M, Liu J, Specht J, Menge KS, Waleczek FJG, Haas JA, Derda AA, Sonnenschein K, Gietz A, Neumüller S, Pfanne A, Beetz O, Pflaum M, Wiegmann B, Psaras Y, Toepfer C, Zweigerdt R, Radocaj A, Kraft T, Zeug A, Ponimaskin E, Korte W, Horke A, Ruhparwar A, Fuchs M, Xiao K, Bär C, Weber N, Thum T. Transcriptional and functional effects of mavacamten in multiple porcine and human models with hypertrophic cardiomyopathy. Br J Pharmacol. 2026 Mar;183(5):1122-1139. doi: 10.1111/bph.70247. Epub 2025 Nov 10. PMID: 41215595.

Durán V, Nikolouli E, Chatterjee S, Costa B, Pavlou A, Ziegler A, Becker J, Baumann K, Bruhn M, Haake K, Hashtchin AR, Gensch I, Korte A, Behrens YL, Zhang SY, Casanova JL, Bär C, Lachmann N, Thum T, Kalinke U. Type I IFNs Decrease SARS-CoV-2 Replication in Human Cardiomyocytes and Increase Cytokine Production in Macrophages. J Clin Immunol. 2025 Oct 21;45(1):149. doi: 10.1007/s10875-025-01943-6. PMID: 41117873; PMCID: PMC12540622.

Costa A, Boese A, Mohr E, Borisch C, Hunkler HJ, Hoepfner J, Chatterjee S, Thum T, Bär C. Generation of a human induced pluripotent stem cell reporter line to investigate cell division and proliferation. Stem Cell Res. 2025 Sep;87:103776. doi: 10.1016/j.scr.2025.103776. Epub 2025 Jul 16. PMID: 40694867.

Juchem M, Lehmann N, Behrens YL, Bär C, Thum T, Hoepfner J. CRISPR/Cas9-based GLA knockout to generate the female Fabry disease human induced pluripotent stem cell line MHHi001-A-15. Stem Cell Res. 2024 Sep;79:103478. doi: 10.1016/j.scr.2024.103478. Epub 2024 Jun 20. PMID: 38905814.

Neufeldt D, Schmidt A, Mohr E, Lu D, Chatterjee S, Fuchs M, Xiao K, Pan W, Cushman S, Jahn C, Juchem M, Hunkler HJ, Cipriano G, Jürgens B, Schmidt K, Groß S, Jung M, Hoepfner J, Weber N, Foo R, Pich A, Zweigerdt R, Kraft T, Thum T, Bär C. Circular RNA circZFPM2 regulates cardiomyocyte hypertrophy and survival. Basic Res Cardiol. 2024 Aug;119(4):613-632. doi: 10.1007/s00395-024-01048-y. Epub 2024 Apr 19. PMID: 38639887; PMCID: PMC11319402.

Jahn C, Juchem M, Sonnenschein K, Gietz A, Buchegger T, Lachmann N, Göhring G, Behrens YL, Bär C, Thum T, Hoepfner J. Generation of human induced pluripotent stem cell line MHHi029-A from a male Fabry disease patient carrying c.959A > T mutation. Stem Cell Res. 2024 Jun;77:103404. doi: 10.1016/j.scr.2024.103404. Epub 2024 Mar 24. PMID: 38552356.

Mohr E, Thum T, Bär C. Accelerating cardiovascular research: recent advances in translational 2D and 3D heart models. Eur J Heart Fail. 2022 Oct;24(10):1778-1791. doi: 10.1002/ejhf.2631. Epub 2022 Aug 4. PMID: 35867781.