Singapur eröffnet Stammzellzentrum zur Erforschung asiatischer Herzerkrankungen und zur Entwicklung gezielter Behandlungen

Eine 5-ml-Blutprobe eröffnet neue Einblicke in Herzerkrankungen

Singapur hat sein erstes Zentrum eröffnet, das sich der Stammzellforschung zu asiatischen Herzerkrankungen widmet. Es baut auf einer Sammlung des National Heart Centre Singapore (NHCS) mit mehr als 40 Krankheitsmodellen auf, die aus Zellen von Patienten gewonnen wurden. Ziel ist es, zu verstehen, warum Herzerkrankungen asiatische Patienten anders betreffen, und Behandlungen zu finden, die besser auf ihre Biologie abgestimmt sind.

Das Centre for Integrative Human Cell Research and Translation (CIPHER) wurde am 16. Oktober von Tan Kiat How, Staatsminister im Gesundheitsministerium, beim sechsten NHCS Heart to Heart Gala im The Ritz-Carlton Millenia Singapore eröffnet. Die Forscher können mit nur 5 ml Blut beginnen, Zellen aus der Probe zu Stammzellen umprogrammieren und daraus schlagende Herzmuskelzellen für Laboruntersuchungen züchten.

Der stellvertretende Direktor von CIPHER, Chrishan Ramachandra, der auch als leitender Forscher am National Heart Research Institute Singapore (NHRIS) und am NHCS tätig ist, sagte, dass asiatische Patienten früher an Herzerkrankungen erkrankten, andere Krankheitsmuster aufwiesen und tendenziell schlechtere Behandlungsergebnisse hätten als westliche Patienten. Ein Großteil der Forschung, auf der Behandlungen beruhen, habe sich jedoch auf Tiere und die Biologie westlicher Bevölkerungsgruppen gestützt.

Das Zentrum vereint verschiedene Forschungsansätze: Modelle mit Merkmalen der Erkrankungen einzelner Patienten, Medikamententests an menschlichen Zellen und eine Miniatur-Herzkammer, die bestimmte Merkmale eines versagenden Herzens nachbilden soll. Zeitgleich mit der Eröffnung wurde mit einer separaten Spende in Höhe von 2,5 Millionen Dollar eine Professur eingerichtet, die Forschung zur Herz- und Thoraxchirurgie sowie künftige Führungskräfte in der Chirurgie fördern soll.

Warum die Biologie asiatischer Patienten erforschen?

Die chinesischen, malaiischen und indischen Bevölkerungsgruppen Singapurs bieten Forschern die Möglichkeit, Herz-Kreislauf-Erkrankungen in unterschiedlichen asiatischen Bevölkerungsgruppen zu untersuchen. CIPHER-Direktor Derek Hausenloy sagte, diese Vielfalt ermögliche es dem Zentrum, zu erforschen, wie sich Erkrankungen in bestimmten ethnischen Gruppen äußern, statt asiatische Patienten als eine einzige biologische Kategorie zu behandeln.

Die Forscher wollen die Prozesse ermitteln, die diese Unterschiede verursachen. An einem Krankheitsmodell können sie untersuchen, wie sich Herzzellen verhalten, wie sie Energie nutzen und wie sie auf ein Medikament reagieren. Diese Beobachtungen könnten auf ein Therapieziel hinweisen, also auf einen biologischen Prozess, den ein Medikament beeinflussen könnte.

Der Bedarf ist beträchtlich. Bei der Eröffnung vorgestellte Zahlen beziffern die Zahl der Todesfälle durch Herzerkrankungen und Schlaganfälle in Singapur auf etwa 23 pro Tag. Im Jahr 2025 entfiel demnach jeder dritte Todesfall auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen. CIPHER soll ein detaillierteres Verständnis der Biologie von Patienten in hilfreiche Entscheidungen für ihre Versorgung umsetzen.

Wie aus Blutzellen schlagende Herzzellen werden

Forscher nutzen ein Verfahren namens Reprogrammierung, um spezialisierte Zellen in induzierte pluripotente Stammzellen umzuwandeln. Diese Stammzellen können anschließend dazu gebracht werden, sich zu anderen Zelltypen zu entwickeln, darunter Herzmuskelzellen. Vereinfacht gesagt setzen Wissenschaftler die Identität einer Zelle zurück und lenken sie dann auf eine andere Aufgabe hin.

Eine Blutprobe ermöglicht es somit, die Herzerkrankung eines Patienten zu untersuchen, ohne ihm ein Stück Herz entnehmen zu müssen. Die daraus gewonnenen Zellen tragen weiterhin den genetischen Hintergrund des Patienten und können Merkmale seiner Erkrankung im Labor nachbilden.

Ramachandra beschrieb den Nutzen dieses Ansatzes:

„Wenn wir aus dem Blut eines Patienten Herzmuskelzellen züchten und beobachten, wie sie in einer Schale schlagen und dabei die Erkrankung dieses Patienten in sich tragen, sehen wir etwas, das kein Tiermodell nachbilden kann“, sagte Chrishan.

Die Umstellung auf Blutproben erleichtert auch die Probenentnahme für Patienten. Im Dezember 2023 erklärte Ramachandra, dass das Team keine Hautproben mehr entnehme, weil der Eingriff invasiv sei und eine kleine Narbe hinterlassen könne. Blut könne stattdessen bei den Kontrollterminen der Patienten abgenommen werden.

Mehr als 40 Modelle bilden die Ausgangsbasis

Das NHCS hat mehr als 40 aus Patienten gewonnene Modelle entwickelt, die die Grundlage des Forschungsprogramms von CIPHER bilden. Sie decken Erkrankungen wie Herzinsuffizienz, arrhythmogene Erkrankungen und Kardiomyopathien ab.

Bei einer Herzinsuffizienz kann das Herz den Körper nicht mehr ausreichend mit Blut versorgen. Eine Kardiomyopathie ist eine Erkrankung des Herzmuskels, der gedehnt, verdickt oder steif werden kann. Diese Veränderungen können das Pumpen erschweren.

Bei den von den Forschern beschriebenen erblichen arrhythmogenen Erkrankungen halten die Herzmuskelzellen nicht mehr richtig zusammen und werden nach und nach durch Narbengewebe und Fett ersetzt. Solche Veränderungen können die elektrischen Signale stören, die den Herzschlag koordinieren.

Eine Sammlung, die verschiedene Erkrankungen umfasst, bietet Wissenschaftlern mehrere Möglichkeiten, Krankheiten zu untersuchen. Sie können analysieren, was in den Zellen schiefläuft, Reaktionen auf mögliche Behandlungen vergleichen und nach biologischen Merkmalen suchen, die mit einem besseren Ansprechen verbunden sind.

Medikamente testen, bevor Patienten sie einnehmen

Hausenloy sagte, die Zellplattformen von CIPHER könnten zum Testen von Medikamenten und zur Untersuchung ihrer Auswirkungen auf die Herzfunktion und den Stoffwechsel eingesetzt werden, also auf die chemischen Prozesse, mit denen Zellen Energie gewinnen und nutzen. Ziel sei es, Behandlungen gezielter auszuwählen und festzustellen, welche Patienten davon profitieren könnten.

Ein Medikament kann einem Patienten helfen und bei einem anderen wenig bewirken. Tests an Zellen, die aus einer Probe des jeweiligen Patienten gezüchtet wurden, könnten Forschern helfen, solche Unterschiede zu untersuchen, bevor der Patient einem unwirksamen Medikament oder unerwünschten Wirkungen ausgesetzt wird.

Eine personalisierte Behandlung bedeutet in diesem Zusammenhang, die Versorgung stärker auf die individuelle Biologie abzustimmen. Dieselbe Forschung kann auch einem größeren Personenkreis zugutekommen: Wird ein Krankheitsmechanismus entdeckt, den viele Patienten gemeinsam haben, könnte daraus eine Behandlung für eine größere Gruppe hervorgehen.

Bei der Eröffnung wurden keine Angaben dazu gemacht, wann die Modelle von CIPHER die routinemäßige Verschreibung von Medikamenten beeinflussen oder zu einer neuen zugelassenen Behandlung führen könnten. Im Mittelpunkt der aktuellen Arbeit stehen das Verständnis von Krankheiten und das Testen möglicher Therapien.

Was das menschliche Herz im Glas zusätzlich ermöglicht

CIPHER arbeitet außerdem mit dem klinischen Biopharmaunternehmen Medera Inc. am Projekt Human Heart-in-a-Jar: einer biotechnologisch hergestellten menschlichen Herzkammer von etwa der Größe einer Fingerspitze. Eine Herzkammer ist eine der großen Pumpkammern des Herzens. Das Miniaturmodell soll ausgewählte Merkmale von Herzerkrankungen nachbilden.

Bei früheren, im Dezember 2023 beschriebenen Arbeiten kooperierten das NHCS und das Stammzellbiotechnologieunternehmen Novoheart. Das Projekt konzentrierte sich auf die Herstellung von Miniaturmodellen aus Zellen asiatischer Patienten mit Herzinsuffizienz, die aus ihrem Blut gezüchtet wurden.

Bei der Herstellung wird um die Zellen herum eine physische Struktur aufgebaut. Die Forscher geben sie in ein Gel mit Kollagen und Stützmaterialien und formen die Mischung anschließend um eine Form. Während die Zellen Gewebe bilden und die Form entfernt wird, bleibt eine Hohlkammer zurück, die schlagen und pumpen kann.

Diese Kammer ermöglicht den Forschern Messungen, die über das Schlagen einzelner Zellen in einer Schale hinausgehen. Sie können Kontraktion, Entspannung und Druck untersuchen, also Merkmale, die für die Aufgabe des Herzens, Blut durch den Körper zu pumpen, unmittelbar relevant sind. Bei der Eröffnung von CIPHER wurde das Miniaturmodell als erstes seiner Art in Asien bezeichnet.

Fokus auf Herzen, die sich nur schwer füllen

Das im Dezember 2023 beschriebene Projekt richtete sich auf die Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion, die der damaligen Darstellung zufolge die Hälfte aller Fälle von Herzinsuffizienz ausmacht. Die Ejektionsfraktion gibt an, welcher Anteil des Blutes bei jedem Herzschlag aus einer Herzkammer ausgeworfen wird.

Bei dieser Form der Herzinsuffizienz kann dieser Anteil im Normalbereich liegen, während der Herzmuskel zu steif ist, um sich richtig zu entspannen und mit Blut zu füllen. Das Herz kann sich also noch recht gut zusammenziehen und dennoch zu wenig Blut befördern, um den Bedarf des Körpers zu decken.

Eine Miniaturkammer, die sich zusammenzieht und entspannt, bietet eine Möglichkeit, dieses Problem zu untersuchen. Die Forscher hoffen, dass Druckmessungen und weitere Beobachtungen ihnen helfen, die Erkrankung genauer nachzubilden und vielversprechende Medikamente zu ermitteln.

Das NHCS erhielt vom Agency for Science, Technology and Research einen Zuschuss in Höhe von 5 Millionen Dollar aus dem Industry Alignment Fund – Industry Collaboration Project für die Arzneimittelentwicklung für asiatische Patienten mit Herzinsuffizienz. Dem Bericht vom Dezember 2023 zufolge entfielen außerdem 17 Prozent der kardiologischen Aufnahmen in öffentlichen Krankenhäusern auf Herzinsuffizienz, was den Umfang des medizinischen Bedarfs unterstreicht.

Die Forschung reicht bis ins Jahr 2009 zurück

CIPHER baut auf Arbeiten auf, die lange vor der Eröffnung des neuen Zentrums begannen. In einer Forschungsmitteilung aus dem Jahr 2011, die am 15. September veröffentlicht wurde, dokumentierte das NHCS die Herstellung schlagender Herzmuskelzellen aus der Haut von Patienten. Dabei kam ein Verfahren zum Einsatz, bei dem keine Viren zur Erzeugung induzierter pluripotenter Stammzellen verwendet wurden.

Das Projekt lief seit 2009. Das Team bestand aus 15 Mitgliedern, darunter drei klinische Wissenschaftler und fünf Forschungswissenschaftler. Unterstützt wurde es durch einen Zuschuss der National Research Foundation von knapp 9 Millionen Dollar für fünf Jahre. Das NHCS nannte die Modellierung von Krankheiten und personalisierte Medikamententests als mögliche Anwendungsgebiete.

• 2009: Das NHCS-Team begann mit dem Stammzellprojekt, das später in einer offiziellen Mitteilung beschrieben wurde.
• 15. September 2011: Das NHCS gab bekannt, dass es aus der Haut von Patienten schlagende Herzzellen erzeugt hatte.
• 4. Dezember 2023: Das Miniaturherz-Projekt wurde mit Schwerpunkt auf asiatischen Patienten und Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion beschrieben.
• 16. Oktober: CIPHER wurde mit einer Forschungsgrundlage von mehr als 40 aus Patienten gewonnenen Modellen eröffnet.

Die Mitteilung von 2011 schätzte die Zahl der jährlichen Krankenhausaufnahmen wegen Herzinsuffizienz in Singapur auf etwa 5.000; rund 1.000 Fälle davon behandelte das NHCS. Diese historischen Zahlen erklären, warum die Forscher nach Wegen suchten, geschädigten Herzmuskel und individuelle Reaktionen auf Medikamente zu untersuchen.

Eine Spende von 2,5 Millionen Dollar fördert die chirurgische Forschung

Das SingHealth Duke-NUS Academic Medicine Centre gab bei der Eröffnung außerdem die Tong Ming Chuan Professorship in Cardiothoracic Surgery bekannt. Die Professur wird durch eine Spende von Tong in Höhe von 2,5 Millionen Dollar finanziert und von der Duke-NUS Medical School im Rahmen des Cardiovascular Sciences Academic Clinical Programme vergeben.

Tong, Herz-Thorax- und Gefäßchirurg mit eigener Praxis am Mount Elizabeth Medical Centre und Gastberater am NHCS, war während seiner Tätigkeit am Singapore General Hospital von 1981 bis 1992 an der Entwicklung wegweisender Herzoperationen beteiligt. Er wirkte 1990 an Singapurs erster Herztransplantation mit und gehörte 2000 zum Team, das die erste Lungentransplantation des Landes durchführte.

Die Professur soll die chirurgische Forschung und die klinische Exzellenz fördern sowie künftige Führungskräfte in der Chirurgie ausbilden. Yeo Khung Keong, Geschäftsführer des NHCS, beschrieb die Professur und CIPHER als sich ergänzende Vorhaben: Das eine verankere die wissenschaftliche Forschung in der Biologie der Patienten, das andere bringe Chirurgen hervor, die neue Erkenntnisse in die Versorgung einbringen können.

Tan Kiat How, der als Staatsminister im Gesundheitsministerium CIPHER eröffnete, ordnete die Arbeit in Singapurs stärkere Ausrichtung auf Prävention und frühzeitige Intervention sowie darauf ein, Menschen dabei zu unterstützen, gesund und selbstständig zu bleiben. Er erläuterte, woran Innovation gemessen werden sollte:

Innovation kann diesen Wandel unterstützen, aber ihr Wert bemisst sich nicht daran, wie ausgefeilt eine Technologie ist. Entscheidend ist, was sie für Patienten verändert.

Die wichtigsten Punkte

• CIPHER wurde am 16. Oktober eröffnet, um Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei Asiaten mithilfe menschlicher Stammzellmodelle zu erforschen.
• Aus einer 5-ml-Blutprobe können Forscher Stammzellen und daraus schlagende Herzmuskelzellen gewinnen.
• Mehr als 40 aus Patienten gewonnene Modelle des NHCS bilden die Forschungsgrundlage des Zentrums.
• An einer Miniatur-Herzkammer können Forscher Pumpfunktion, Entspannung und Druck untersuchen und mögliche Behandlungen testen.
• Das NHCS dokumentierte bereits im September 2011 frühere Arbeiten zur Herstellung schlagender Herzzellen aus Haut.
• Mit einer separaten Spende von 2,5 Millionen Dollar wurde die Tong Ming Chuan Professorship in Cardiothoracic Surgery eingerichtet.