Mächtige Mitochondrien: Zellkraftwerke für die Heilung

Foto: von Jan Kopřiva auf Pexels

Die Infusion der winzigen, wurstförmigen Strukturen hilft, durchblutetes Gewebe zu regenerieren. Forscher hoffen, dass die Technik eine Vielzahl geschädigter Organe behandeln kann.

Von Jackie Rocheleau 07.08.2025

JAmes McCully war gerade im Labor und extrahierte winzige Strukturen, sogenannte Mitochondrien, aus Zellen, als Forscher seines Teams hereinstürmten. Sie hatten ein Schweineherz operiert und konnten es nicht wieder zum normalen Schlagen bringen.

McCully erforscht die Prävention von Herzschäden am Boston Children’s Hospital und der Harvard Medical School und interessierte sich besonders für Mitochondrien . Diese energieproduzierenden Organellen sind besonders wichtig für Organe wie das Herz, die einen hohen Energiebedarf haben. McCully hatte sich gefragt, ob die Transplantation gesunder Mitochondrien in verletzte Herzen helfen könnte, deren Funktion wiederherzustellen.

Das Herz des Schweins ergraute rapide, also beschloss McCully, es zu versuchen. Er füllte eine Spritze mit den extrahierten Mitochondrien und injizierte sie direkt in das Herz. Vor seinen Augen begann es wieder normal zu schlagen und nahm seine rosige Farbe wieder an.

Seit diesem Tag vor fast 20 Jahren haben McCully und andere Forscher diesen Erfolg bei Schweinen und anderen Tieren reproduziert. Es folgten Transplantationen bei Babys, die Komplikationen einer Herzoperation erlitten hatten – und damit ein neues Forschungsfeld: die Verwendung von Mitochondrien-Transplantationen zur Behandlung von Organschäden und Krankheiten. In den letzten fünf Jahren haben immer mehr Wissenschaftler begonnen, Mitochondrien-Transplantationen bei Herzschäden nach Herzstillstand , Hirnschäden nach Schlaganfall und Schäden an für eine Transplantation vorgesehenen Organen zu erforschen.

Mitochondrien sind vor allem dafür bekannt, nutzbare Energie für Zellen zu produzieren. Sie senden aber auch molekulare Signale, die helfen, den Körper im Gleichgewicht zu halten und seine Immun- und Stressreaktionen zu steuern. Einige Zelltypen können auf natürliche Weise gesunde Mitochondrien an andere bedürftige Zellen spenden, beispielsweise Gehirnzellen nach einem Schlaganfall. Dieser Prozess wird Mitochondrientransfer genannt. Daher erschien die Idee, dass Kliniker diesen Prozess durch die Transplantation von Mitochondrien zur Revitalisierung verletzten Gewebes beschleunigen könnten, für einige Wissenschaftler plausibel.

McCullys Gruppe konnte anhand von Studien an Herzzellen von Kaninchen und Ratten nachweisen, dass die Plasmamembranen der Zellen die Mitochondrien umschließen und ins Zellinnere transportieren, wo sie mit den zellinternen Mitochondrien verschmelzen. Dort scheinen sie molekulare Veränderungen auszulösen, die zur Wiederherstellung der Herzfunktion beitragen : Beim Vergleich von blut- und sauerstoffarmen Schweineherzen, die mit Mitochondrien behandelt wurden, mit solchen, die Placebos erhielten, stellte McCullys Gruppe Unterschiede in der Genaktivität und den Proteinen fest, die auf weniger Zelltod und weniger Entzündungen hindeuteten.

Vor etwa zehn Jahren wandte sich Sitaram Emani, Herzchirurg am Boston Children’s Hospital, an McCully und berichtete ihm von seiner Arbeit mit Tierherzen. Emani hatte beobachtet, wie sich manche Babys mit Herzfehlern nach Komplikationen bei Herzoperationen nicht vollständig erholten, und fragte sich, ob McCullys Methode der Mitochondrientransplantation ihnen helfen könnte.

Bei Herzoperationen setzen Chirurgen Medikamente ein, um das Herz zu stoppen und die Operation zu ermöglichen. Wenn das Herz jedoch zu lange nicht mit Blut und Sauerstoff versorgt wird, versagen die Mitochondrien und Zellen sterben ab (Ischämie). Wenn das Blut wieder zu fließen beginnt, kann es, anstatt das Herz wieder in seinen Normalzustand zu versetzen, weitere Zellen schädigen und abtöten, was zu einer Ischämie-Reperfusionsverletzung führt.

Da McCullys achtjährige Studien an Kaninchen und Schweinen keine Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Mitochondrientransplantation ergeben hatten, dachten McCully und Emani, dass es sich lohnen würde, das Verfahren bei Säuglingen auszuprobieren, bei denen die Herzfunktion wahrscheinlich nicht so weit zurückkommt, dass sie von der Herz-Lungen-Unterstützung loskommen.

Die Eltern von zehn Patienten stimmten dem experimentellen Verfahren zu, das vom Prüfungsausschuss des Instituts genehmigt wurde. In einem Pilotprojekt, das von 2015 bis 2018 lief, entnahm McCully radiergummigroße Muskelproben aus den für die Herzoperation vorgenommenen Einschnitten, isolierte mithilfe einer Filtrationstechnik Mitochondrien und überprüfte deren Funktionsfähigkeit. Anschließend injizierte das Team die Organellen in das Herz des Babys.

Acht dieser zehn Babys erlangten ihre Herzfunktion wieder so weit , dass die lebenserhaltenden Maßnahmen eingestellt werden konnten. Im Vergleich dazu waren es nur vier von 14 ähnlichen Fällen aus den Jahren 2002 bis 2018, die für den historischen Vergleich herangezogen wurden, berichtete das Team 2021. Die Behandlung verkürzte auch die Genesungszeit, die in der mitochondrialen Transplantationsgruppe durchschnittlich zwei Tage betrug, verglichen mit neun Tagen in der historischen Kontrollgruppe. Zwei Patienten überlebten nicht – in einem Fall erfolgte der Eingriff, nachdem die restlichen Organe des Babys zu versagen begannen, und in einem anderen Fall trat vier Monate später ein Lungenproblem auf. Die Gruppe hat diesen Eingriff inzwischen bei 17 Babys durchgeführt.

Das Transplantationsverfahren ist noch experimentell und für eine breitere klinische Anwendung noch nicht praktikabel, doch McCully hofft, dass es eines Tages zur Behandlung von Nieren- , Lungen- , Leber- und Gliedmaßenschäden aufgrund unterbrochener Durchblutung eingesetzt werden kann.

Die Ergebnisse haben andere Kliniker inspiriert, deren Patienten unter ähnlichen Ischämie-Reperfusionsschäden leiden. Ein Beispiel hierfür ist der ischämische Schlaganfall, bei dem Blutgerinnsel die Blutzufuhr zum Gehirn verhindern. Ärzte können die Gerinnsel zwar auflösen oder entfernen, aber es fehlt ihnen eine Möglichkeit, das Gehirn vor Reperfusionsschäden zu schützen. „Man sieht Patienten, die ihre Geh- oder Sprechfähigkeit verlieren“, sagt Melanie Walker, endovaskuläre Neurochirurgin an der University of Washington School of Medicine in Seattle. „Man möchte einfach nur eine Besserung erreichen, aber es gibt einfach keine Lösung.“

Walker stieß vor zwölf Jahren auf McCullys Studien zur Mitochondrientransplantation und war beim Weiterlesen besonders beeindruckt von einem Bericht über Mäuse von Forschern des Massachusetts General Hospital und der Harvard Medical School. Darin zeigte sich, dass die Stütz- und Schutzzellen des Gehirns – die Astrozyten – einige ihrer Mitochondrien auf durch einen Schlaganfall geschädigte Neuronen übertragen könnten , um deren Genesung zu unterstützen. Vielleicht, so dachte sie, könnte eine Mitochondrientransplantation auch bei Schlaganfällen beim Menschen helfen.

Sie arbeitete jahrelang mit Tierforschern zusammen, um herauszufinden, wie Mitochondrien sicher ins Gehirn gelangen können. Sie testete die Sicherheit des Verfahrens in einer klinischen Studie mit nur vier Patienten mit ischämischem Schlaganfall. Dabei wurde ein Katheter durch eine Halsarterie eingeführt, um die Blockade, die den Schlaganfall verursachte, manuell zu entfernen. Anschließend schob sie den Katheter weiter vor und setzte die Mitochondrien frei, die über die Blutgefäße ins Gehirn wanderten.

Die Ergebnisse, die 2024 im Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism veröffentlicht wurden , zeigen, dass die infundierten Patienten keinen Schaden erlitten ; die Studie war nicht darauf ausgelegt, die Wirksamkeit zu testen. Walkers Gruppe rekrutiert nun Teilnehmer, um die Sicherheit der Intervention weiter zu untersuchen. Im nächsten Schritt wird festgestellt, ob die Mitochondrien dorthin gelangen, wo sie hin sollen, und funktionieren. „Bis wir das nachweisen können, glaube ich nicht, dass wir von einem therapeutischen Nutzen sprechen können“, sagt Walker.

Forscher hoffen, dass auch Organspenden von Mitochondrien-Transplantationen profitieren könnten. Spenderorgane wie Nieren erleiden Schäden, wenn ihnen zu lange die Blutversorgung fehlt. Transplantationschirurgen lehnen Nieren mit einem höheren Risiko für diese Schäden möglicherweise ab.

Um zu testen, ob mitochondriale Transplantationen die Nieren wiederbeleben können, injizierten der Transplantationschirurg und Wissenschaftler Giuseppe Orlando von der Wake Forest University School of Medicine in Winston-Salem und seine Kollegen Mitochondrien in vier Schweinenieren und eine Kontrollsubstanz in drei. 2023 berichteten sie in den Annals of Surgery über weniger absterbende Zellen in den mit Mitochondrien behandelten Nieren und deutlich geringere Schäden. Molekularanalysen zeigten zudem eine gesteigerte Energieproduktion.

Es sei noch zu früh, sagt Orlando, aber er sei zuversichtlich, dass die Mitochondrientransplantation ein wertvolles Instrument zur Rettung suboptimaler Organe für die Spende werden könnte.

Die Studien haben sowohl Begeisterung als auch Skepsis hervorgerufen. „Es ist sicherlich ein sehr interessantes Gebiet“, sagt Koning Shen, Postdoktorandin für Mitochondrienbiologie an der University of California, Berkeley, und Co-Autorin einer Übersicht über die Signalfunktionen von Mitochondrien im Annual Review of Cell and Developmental Biology 2022. Sie fügt hinzu, dass die Ausweitung der Extraktion von Mitochondrien und das Erlernen der Lagerung und Konservierung der isolierten Organellen große technische Hürden darstellen, um solche Behandlungen in größerem Umfang zu realisieren. „Es wäre großartig, wenn die Leute dieses Stadium erreichen würden“, sagt sie.

„Ich denke, es gibt viele aufmerksame Leute, die sich das genau ansehen, aber die große Frage ist meiner Meinung nach: Was ist der Mechanismus?“, sagt Navdeep Chandel, Mitochondrienforscher an der Northwestern University in Chicago. Er bezweifelt, dass Spendermitochondrien dysfunktionale native Organellen reparieren oder ersetzen, hält es aber für möglich, dass die Mitochondrienspende Stress und Immunsignale auslöst , die dem geschädigten Gewebe indirekt zugutekommen.

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Unabhängig vom Mechanismus deuten einige Tierstudien darauf hin, dass die Mitochondrien funktionsfähig sein müssen, um ihre Vorteile zu entfalten. Lance Becker, Leiter der Notfallmedizin am Northwell Health in New York, der die Rolle der Mitochondrien bei Herzstillstand erforscht, führte eine Studie durch, in der er frische, eingefrorene und anschließend aufgetaute Mitochondrien sowie ein Placebo zur Behandlung von Ratten nach einem Herzstillstand verglich. Die elf Ratten, die frische, funktionsfähige Mitochondrien erhielten, zeigten drei Tage später eine bessere Gehirnfunktion und eine höhere Überlebensrate als die elf Ratten, die ein Placebo erhielten; die nicht funktionsfähigen, eingefrorenen und aufgetauten Mitochondrien boten diese Vorteile nicht.

Es bedarf weiterer Forschung zu den Mechanismen der Mitochondrientherapie, verbesserter Mitochondrien-Transporttechniken, größerer Studien und einer Reihe von Erfolgsberichten, bevor Mitochondrien-Transplantationen von der FDA zugelassen und breitflächig zur Behandlung von Ischämie-Reperfusionsverletzungen eingesetzt werden können, sagen Forscher. Das ultimative Ziel wäre die Schaffung eines universellen Vorrats an gelagerten Mitochondrien – einer Art Mitochondrienbank –, die von einer Vielzahl von Gesundheitsdienstleistern für Transplantationen genutzt werden kann.

„Wir stehen noch ganz am Anfang – wir wissen nicht, wie es funktioniert“, sagt Becker. „Aber wir wissen, dass es etwas verdammt Interessantes bewirkt.“