Während die Herztransplantation die effektivste therapeutische Methode für Herzinsuffizienz im Endstadium ist, werden weniger als 50 % der potenziellen Spender zu tatsächlichen Herzspendern. Die Hauptursache für die Unterauslastung des Spenderherzens ist die maximal zulässige ischämische Zeit von 4 Stunden während des mechanischen Stillstands mit Kühllagerung, die die geografische Verteilung der Herzen aufgrund von Transportzeitbeschränkungen einschränkt. Wichtig ist, dass eine verlängerte ischämische Zeit ein wichtiger Risikofaktor für eine primäre Transplantatdysfunktion (PID) ist, wenn die Herzleistung des Spenders für die Organperfusion nicht ausreicht. Die PID ist eine große Herausforderung, die bei 10 bis 20 % der Herztransplantationen auftritt. Während die 1-Monats-Sterblichkeitsrate bei einer Herztransplantation bei etwa 8 % liegt, entfallen 39 % dieser Todesfälle auf die PID.
Die jüngste klinische Anwendung kommerziell erhältlicher normothermer Ex-situ-Perfusionsgeräte hat die "außerkörperliche" Zeit von Spenderherzen verlängert und gleichzeitig die Zeit der kalten Ischämie verkürzt. Diese Technologie hat erhebliche Vorteile gebracht, da Spender über große geografische Entfernungen mit Empfängern zusammengebracht werden können. Die Ex-situ-Perfusion hat auch die Verwendung von "marginalen" Spenderherzen mit Merkmalen wie ventrikulärer Hypertrophie, längeren ischämischen Zeiten und höherem Spenderalter erleichtert. In einer kürzlich durchgeführten klinischen Studie mit einem ex vivo Herzperfusionssystem blieben die Raten einer schweren PID des linken Ventrikels (LV) oder des rechten Ventrikels (RV) bei Spenderherzen mit verstorbenem Hirntod (DBD) trotz normothermer Herzperfusion während des Organtransportszum Empfängerkrankenhaus mit 10,7 % hoch. Tatsächlich sind die Raten schwerer PID, die eine mechanische Durchblutungsunterstützung erfordern, bei Spenderherzen mit verstorbenem Herztod (DCD) sogar noch höher. Darüber hinaus wurde für den Transport eine kontinuierliche hypothermische Perfusion des Spenderherzens mit Kältekonservierungslösung verwendet. Im Mittelpunkt dieser neuartigen Ansätze steht die Perfusion unter verschiedenen Bedingungen: Perfusion mit autologem Blut oder Konservierungslösung, Perfusion bei normothermen (37 °C) oder kalten (4–10 °C) Temperaturen und Perfusion ex situ mit einem Pumpapparat oder in vivo mit normothermer regionaler Perfusion (NRP). Die genauen klinischen Vorteile bestimmter Ansätze gegenüber anderen sind nicht klar definiert, aber Forschungsmodelle werden es ermöglichen, jede Kombination von Ansätzen systematisch zu untersuchen.
Die Verwendung von murinen kardialen Beurteilungsmodellen hat den Vorteil, dass eine breite Palette transgener Mausmodelle für die detaillierte Untersuchung der molekularen Mechanismen der PID und anderer Erkrankungen mit eingeschränkter Herzfunktion (z. B. Myokardinfarkt) zur Verfügung steht. Li et al.2 beschreiben eine elegante Technik zur Transplantation von murinen Spenderherzen mit Hilfe einer "Manschetten"-Technik in die zervikale Region der Empfängermäuse. Dies hat erhebliche Vorteile in Bezug auf die technische Leichtigkeit der Durchführung, die Zugänglichkeit für die Transplantatbewertung und die Möglichkeit, intravitale Zwei-Photonen-Bildgebung (z. B. für die Verfolgung von Leukozyten) durchzuführen. Noly et al.3 berichten auch über die Verwendung von Mäusen in Ex-situ-Studien zur Herzfunktion, mit dem ähnlichen Vorteil des Zugangs zu einer breiten Palette transgener Modelle. Die Ex-situ-Perfusion mit Krebspuffer ermöglicht die Untersuchung der Konservierungsbiologie der nativen Herzzellen ohne zelluläre Reaktionen des Empfängers. Dies wird es den Forschern ermöglichen, die Konservierungsbiologie des nativen Herzens weiter zu untersuchen, ohne Leukozyten zu infiltrieren, was das Reperfusionsereignis komplexer macht. Darüber hinaus veranschaulichen Noly et al.3 eine Methode zur Beurteilung der Herzfunktion sowohl des linken als auch des rechten Herzens anhand eines kleinen Ballons in diesem ex situ-Modell . Angesichts der Häufigkeit von isolierter Rechtsherzinsuffizienz bei klinischen Herztransplantationen ist dies eine sehr relevante Technik zur Beurteilung von univentrikulärem versus biventrikulärem Transplantatversagen.
Die DCD-Herzspende gewinnt als wichtige Quelle für Spenderherzen für die Transplantation an Bedeutung. Das von Quader et al.4 vorgestellte Ratten-DCD-Herztransplantationsmodell bietet eine wichtige mittelgroße Tierplattform für die Untersuchung von DCD-Spenderherzen und ermöglicht die Prüfung einer Vielzahl von Wirkstoffen, die Herzschäden während der DCD-Spende mildern können. Das DCD-Spendeprotokoll für Nagetiere spiegelt das der klinischen Organbeschaffungsverfahren wider. Nagetiermodelle für die kardiale Beurteilung sind entscheidend für die Untersuchung molekularer Mechanismen und das Screening auf potenziell wirksame Therapeutika, und sie haben den Vorteil der Skalierbarkeit, da sie die Verwendung relativ großer Versuchsgruppen ermöglichen. Ob die von Nagetieren gewonnenen Erkenntnisse für menschliche Patienten relevant sind, ist jedoch berechtigt. So dienen Plattformen für Großtiere (einschließlich menschlicher Herzen, die für die Forschung verwendet werden) dazu, die Erkenntnisse aus kleineren Tiermodellen zu validieren. Khalil et al.5 beschreiben ein Schweinemodell der NRP mit Schweineherzen unter Verwendung extrakorporaler Membranoxygenierung. Ihre Gruppe hebt auch wichtige Unterschiede zu menschlichen Herzreaktionen in Bezug auf die Herzrhythmusstörungen hervor. Dieses System bietet die Möglichkeit, verschiedene pharmakologische und nicht-pharmakologische Strategien zur Rehabilitation von DCD-Herzen für die Transplantation in diesem Umfeld zu testen. Dang Van et al.6 tragen weiter zur Verfeinerung der hämodynamischen Beurteilung von Großtierherzen bei, indem sie Druck-Volumen-Schleifen unter Verwendung von Leitwertkathetern und Oberflächenechokardiographie einbeziehen. Die NRP hat den entscheidenden Vorteil, dass sie die Beurteilung von Herzen unter "belasteten" Arbeitsbedingungen im Vergleich zu den "nicht arbeitenden" Langendorff-Setups mit konventioneller Ex-situ-Perfusion ermöglicht.
Abgesehen von der Untersuchung ganzer Herzen kann die kontraktile Funktion auf Einzelzellebene bewertet werden, wie Lavey et al.7 zeigt. Sarkomerverkürzungen und Kalziumflüsse können mit großer Genauigkeit in einzelnen Myozyten gemessen werden. Die molekulare Editierung auf zellulärer Ebene kann mit verschiedenen Gentransfertechniken (z. B. virale Transfektion) effizient erreicht werden, und die Auswirkungen können auf zellulärer Ebene bewertet werden. Dies ist ein wichtiges Screening-Instrument für neuartige Therapeutika und für das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Herzfunktionsstörung. Bermea et al.8 bieten eine zuverlässige Methode zur Untersuchung von Immunkomponenten und ihrer Rolle bei der Vermittlung von Herzschäden. Die Fähigkeit, alle Immunzellen im Herzen zu erfassen, ist eine Voraussetzung für ein genaues Verständnis der Immunreaktionen auf Herzverletzungen. Die beschriebenen Techniken können mit den oben genannten ex situ und NRP kardialen Plattformen zur Untersuchung der Immunität bei der Erhaltung, Verletzung und Reparatur des Herzens kombiniert werden.
Diese Methodensammlung versammelt einige der neuesten Techniken zur Beurteilung von Herzverletzungen und -funktionen. Während viele der Modelle für die Untersuchung der PID nach kardialer Konservierung konzipiert sind, bleibt diese Sammlung für die Untersuchung der Herzfunktion in anderen Umgebungen relevant (z. B. globale oder regionale warme Ischämie, genetische Kardiomyopathien). Wir sind optimistisch, dass diese Forschungsinstrumente das Verständnis der PID verbessern und die Entdeckung neuartiger Therapeutika zur Erhaltung der Herzfunktion nach Verletzungen erleichtern werden.