James McCully war in seinem Labor gerade wieder einmal dabei, winzige Strukturen namens Mitochondrien aus Zellen zu extrahieren, als einige seiner Teammitglieder hereinstürzten. Sie hatten mit einem Schweineherz experimentiert und brachten es nicht mehr dazu, normal zu schlagen und Blut zu pumpen. Ob er eine Idee habe?

McCully erforscht am Boston Children’s Hospital und an der Harvard Medical School, wie man Herzschäden verhindert. Und er interessiert sich brennend für Mitochondrien: Diese energieproduzierenden Organellen sind generell unverzichtbar für die Funktion aller Zellen in unserem Körper, aber ganz besonders wichtig für Organe wie das Herz, die sehr viel Energie brauchen. McCully hatte sich schon länger gefragt, ob eine Transplantation gesunder Mitochondrien in geschädigte Herzen vielleicht deren Funktion wiederherstellen könnte.

Da das Schweineherz zusehends grauer wurde, entschied sich McCully spontan für einen Versuch. Er füllte eine Spritze mit den gerade isolierten Mitochondrien und injizierte sie direkt in das Herz. Vor seinen Augen begann es wieder normal zu schlagen und seine übliche rosige Farbe anzunehmen.

Seit jenem Tag Mitte der 2000er-Jahre haben McCully und andere Fachleute das Experiment bei Schweinen und anderen Tieren erfolgreich wiederholt. Das war die Keimzelle für die Entwicklung eines neuen Forschungsgebiets: den Versuch, Organschäden und Krankheiten mit transplantierten Mitochondrien zu behandeln. In den vergangenen Jahren haben immer mehr Forscher und Forscherinnen untersucht, ob sich auf diese Weise Gewebeschäden nach einem Herzstillstand oder Schlaganfall sowie Beeinträchtigungen von Organen, die für eine Transplantation vorgesehen sind, verhindern lassen.

Dass Mitochondrien die Energielieferanten der Zellen sind, ist allgemein bekannt. Aber sie senden auch molekulare Signale, die Körperfunktionen im Gleichgewicht halten und Immun- sowie Stressreaktionen steuern. Manchmal spenden Zellen sogar anderen, geschädigten Zellen von Natur aus gesunde Mitochondrien, etwa Gehirnzellen nach einem Schlaganfall. Aus diesem natürlichen Mitochondrientransfer heraus entstand die Idee, zu therapeutischen Zwecken Mitochondrien zu transplantieren und damit verletztes Gewebe zu regenerieren.

Was bringt das Einspritzen von Mitochondrien?

Anhand von Studien mit Kaninchen und Herzmuskelzellen von Ratten entdeckte McCullys Gruppe, dass die Zellmembran hinzugegebene Mitochondrien umschlingt und in die Zelle hineinbugsiert, wo sie mit deren eigenen Mitochondrien fusionieren. Dort scheinen sie molekulare Veränderungen auszulösen, die Herzfunktionen wiederherstellen, wie McCully und seine Kollegen herausfanden. Die Forscher verwendeten für ihre Versuche Schweineherzen, deren Blut- und damit auch Sauerstoffzufuhr sie unterbunden hatten. In einige davon spritzten sie Mitochondrien und verglichen diese Organe mit Herzen, die lediglich ein Placebo bekamen. Bei Ersteren fanden sich diverse Unterschiede bezüglich Genaktivität und Proteinzusammensetzung, die auf eine Reduktion von Entzündungserscheinungen und Zelltod hindeuten.

Mitte der 2010er-Jahre nahm Sitaram Emani, ein Herzchirurg am Boston Children’s Hospital, mit McCully Kontakt auf. Er hatte beobachtet, dass sich manche Babys mit Herzfehlern nach Komplikationen in Folge einer Herzoperation nicht vollständig erholten, und fragte sich, ob McCullys Methode der Mitochondrientransplantation ihnen helfen könnte.

Während Operationen wegen Herzfehlern müssen Chirurginnen und Chirurgen das Herz medikamentös am Schlagen hindern. Bekommt das Organ aber zu lange kein frisches Blut und damit keinen Sauerstoff, versagen durch diese »Ischämie« die Mitochondrien und Zellen beginnen abzusterben. Wenn das Blut dann wieder zu fließen beginnt, versetzt das nicht einfach das Herz in den Normalzustand zurück, sondern kann im Gegenteil weitere Zellen schädigen und töten; Fachleute sprechen hier von einem Reperfusionsschaden.

Bei acht der zehn Babys erholte sich ihre Herzfunktion so sehr, dass sie nicht mehr auf die Maschine angewiesen waren

Aufgrund seiner damals bereits seit acht Jahren laufenden Studien mit Mitochondrientransplantationen an Kaninchen und Schweinen hielt McCully die Methode inzwischen für sicher. Daher überlegten die beiden, den Eingriff bei solchen Babys auszuprobieren, deren Herz sich voraussichtlich nicht genug erholen würde, um sie von der Herz-Lungen-Maschine zu trennen. Die Eltern von zehn betroffenen Kindern stimmten dem experimentellen Verfahren zu, und auch die Ethikkommission des Instituts genehmigte es. In einer Pilotstudie von 2015 bis 2018 entnahm McCully von den Einschnittstellen während der Operation winzige Muskelstücke, isolierte daraus Mitochondrien und prüfte, ob sie funktionsfähig waren. Dann injizierte das Team die Organellen den kleinen Patienten ins Herz.

Mitochondrientransplantation: noch nicht bereit für die Klinik

Bei acht der zehn Babys erholte sich ihre Herzfunktion so sehr, dass sie nicht mehr auf die Maschine angewiesen waren, berichtete das Team 2021. Dagegen gelang das nur in vier von 14 ähnlichen Fällen aus den Jahren 2002 bis 2018, die als historischer Vergleich dienten. Die Behandlung verkürzte zudem die Erholungszeit: Sie lag im Durchschnitt bei zwei Tagen in der Mitochondriengruppe gegenüber neun Tagen in der Kontrollgruppe. Noch befindet sich das Transplantationsverfahren im experimentellen Stadium und ist nicht bereit für eine breite klinische Nutzung. Aber McCully hofft, dass sich eines Tages auch Nieren-, Lungen-, Leber- und Gliedmaßenschäden aufgrund unterbrochener Blutzufuhr damit behandeln lassen.

Die Ergebnisse haben andere Ärzte und Ärztinnen inspiriert, die mit ähnlichen Reperfusionsschäden konfrontiert sind. So verhindern Blutgerinnsel beim ischämischen Schlaganfall, dass sauerstoffreiches Blut ins Gehirn gelangt. Die Gerinnsel lassen sich auflösen oder mechanisch entfernen, doch bislang existiert keine Möglichkeit, das Gehirn vor den Reperfusionsschäden zu schützen. »Man sieht Patientinnen und Patienten, die ihre Fähigkeit zu laufen oder zu sprechen verlieren«, sagt Melanie Walker, endovaskuläre Neurochirurgin an der University of Washington School of Medicine in Seattle. »Man möchte ihnen besser helfen, aber es gibt bisher nichts.«

»Man sieht Patientinnen und Patienten, die ihre Fähigkeit zu laufen oder zu sprechen verlieren«Melanie Walker, endovaskuläre Neurochirurgin

Nachdem Walker auf McCullys Studien zur Mitochondrientransplantation gestoßen war, informierte sie sich weiter zu dem Thema und war besonders beeindruckt von einem Bericht eines Teams des Massachusetts General Hospital und der Harvard Medical School. Diesem zufolge scheinen Astrozyten – das sind Stütz- und Schutz­zellen im Gehirn – Mitochondrien an durch Schlaganfall geschädigte Neurone abzugeben und sie dadurch zu unterstützen. Vielleicht könnte Mitochondrientransplantation ja auch Menschen nach einem Schlaganfall helfen, dachte sie.

Daraufhin arbeitete sie jahrelang an einer Methode, Mitochondrien sicher ins Gehirn hineinzubringen. In einer klinischen Vorabstudie testete sie das Verfahren an gerade einmal vier Personen mit ischämischem Schlaganfall. Hierbei führte sie einen Katheter in eine Halsarterie ein und entfernte das blockierende Gerinnsel manuell. Dann schob sie den Katheter weiter und setzte darüber die Mitochondrien frei, die durch die Blutgefäße ins Gehirn gelangten.

Kommen die Organellen funktionsfähig am Ziel an?

Die 2024 veröffentlichten Ergebnisse zeigten vor allem, dass die Behandelten dadurch keinen Schaden erlitten; es ging bei dem Versuch nicht darum, ob die Methode hilft. Weitere solche Studien sollen die Sicherheit jetzt noch genauer bewerten. Der nächste Schritt besteht dann darin, zu klären, ob die Mitochondrien in funktionsfähigem Zustand dort ankommen, wo sie gebraucht werden. »Solange wir das nicht zeigen können, glaube ich nicht, dass wir von einem therapeutischen Nutzen sprechen können«, sagt Walker.

Der Transplantationschirurg Giuseppe Orlando ist überzeugt, dass Mitochondrientransplantationen eines Tages helfen könnten, suboptimale Spenderorgane zu retten

Auch auf einem ganz anderen Gebiet könnten Mitochondrientransplantationen nützen: Spenderorgane wie Nieren werden geschädigt, wenn sie zu lange ohne Blutversorgung bleiben, und bei einer höheren Wahrscheinlichkeit für solche Schäden oft als ungeeignet verworfen. Versuchshalber injizierten der Transplantationschirurg Giuseppe Orlando von der Wake Forest University School of Medicine in Winston-Salem und sein Team daher Mitochondrien in vier Schweinenieren sowie eine neutrale Lösung in drei andere. Sie berichteten 2023, dass die mit Mitochondrien behandelten Nieren weniger sterbende Zellen und deutlich schwächere Gewebeschäden aufwiesen. Wie molekulare Analysen zudem zeigten, stieg ihre Energieproduktion an.

Es sei zwar noch zu früh, erklärt Orlando, aber er ist überzeugt, dass Mitochondrientransplantationen eines Tages helfen könnten, suboptimale Spenderorgane zu retten. Die Studien haben Begeisterung, allerdings auch Skepsis ausgelöst. »Das ist auf jeden Fall ein sehr interessantes Feld«, sagt die Mitochondrienbiologin Koning Shen von der University of California in Berkeley. Eine Mitochondriengewinnung im größeren Maßstab sowie das korrekte Lagern und Erhalten der isolierten Organellen stellten allerdings bedeutende technische Hürden für den Routineeinsatz solcher Behandlungen dar. »Es wäre großartig, wenn man dieses Stadium erreichen würde«, fügt sie hinzu.

»Die große Frage lautet: Was ist der Mechanismus?«Navdeep Chandel, Mitochondrienforscher

»Ich glaube, viele kluge Leute schauen sich das sehr genau an, aber die große Frage lautet: Was ist der Mechanismus?«, fragt Navdeep Chandel, Mitochondrienforscher an der Northwestern University in Chicago. Er bezweifelt, dass transplantierte Mitochondrien defekte körpereigene Organellen reparieren oder ersetzen, hält es jedoch für möglich, dass sie Stress- und Immunsignale auslösen, die dem geschädigten Gewebe indirekt helfen.

Frische Ware hilft besser

Unabhängig vom Mechanismus deuten einige Untersuchungen an Tieren zumindest darauf hin, dass die Mitochondrien funktionsfähig sein müssen, damit sie Nutzen bringen. Lance Becker, Leiter der Notfallmedizin bei Northwell Health in New York, erforscht die Rolle von Mitochondrien bei Herzstillstand. Er führte eine Studie durch, in der er einerseits frische Mitochondrien, andererseits gefrorene und dann wieder aufgetaute Mitochondrien sowie ein Placebo bei Ratten nach Herzstillstand verglich. Die elf Nager, die frische, funktionierende Mitochondrien erhielten, zeigten nach drei Tagen eine bessere Hirnfunktion und eine höhere Überlebensrate als die Tiere mit Placebo oder nicht funktionstüchtigen Mitochondrien.

»Wir wissen nicht, wie es funktioniert. Aber wir wissen, dass es etwas verdammt Interessantes macht«Lance Becker, Notfallmediziner

Bevor Mitochondrientransplantationen eines Tages von der FDA zugelassen werden und zur Behandlung von Ischämie-Reperfusionsschäden dienen können, braucht es auf jeden Fall eine genauere Erforschung der Mechanismen der Mitochondrientherapie, bessere Verabreichungstechniken, größere Studien und mehr Erfolgsberichte. In diesen Punkten ist sich die Fachwelt einig. Das langfristige Ziel wäre eine Art Mitochondrienbank, auf die Gesundheitsexperten diverser Bereiche zugreifen könnten. »Wir stehen ganz am Anfang – wir wissen nicht, wie es funktioniert«, gibt Becker zu. »Aber wir wissen, dass es etwas verdammt Interessantes macht.«