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Materialforschung

Das perfekte Kunstherz

11.07.2018
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Von Hannelore Gießen, Lindau / Herzen sind kostbar, Trans­plantationen rar. Eine mögliche Alternative können technische Unterstützungs­systeme bieten. Mit neuen Materialien versuchen Wissenschaftler aus Zürich und Berlin, eine gut verträgliche ­Herzhilfe zu entwickeln.

Wie elastische Materialien helfen, den Blutfluss eines Kunstherzes der Natur anzupassen, stellte Nicholas H. Cohrs bei der 68. Nobelpreisträgertagung in Lindau vor. Der Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich beschrieb, wie ein weiches, flexibles Modell eines Herzens hergestellt wird.

 

Besteht das Herzunterstützungssystem nämlich aus harten Bauteilen, wie das bisher der Fall ist, werden die roten Blutkörperchen beim Pumpvorgang so stark gequetscht, dass sie leicht platzen können. Die meisten der bisherigen Systeme sind sogenannte ventrikuläre Assistenzsysteme (Ventricular Assist Devices, VAD), die überwiegend in die linke Herzkammer implantiert werden und über die Bauchdecke mit einer batteriebetriebenen Pumpe verbunden sind. 

Diese VAD-Pumpen ­ermöglichen einen kontinuierlichen, jedoch keinen physiologisch an- und abschwellenden Blutfluss. Das Herz kann sich an wechselnde Anforderungen so nicht anpassen. Zudem können sich Blutgerinnsel bilden, begünstigt durch den ständigen Kontakt zu einem körperfremden Material. Die Patienten müssen also stark antikoaguliert sein und laufen damit Gefahr, Blutungen zu entwickeln.

 

Modell aus weichem Kunststoff

 

Einen ambitionierten Ansatz verfolgt seit einigen Jahren das interdisziplinäre Projekt »Zurich Heart«, bei dem 18 Forschungsgruppen aus Ingenieuren, Materialwissenschaftlern, Biologen und Ärzten aus Zürich und Berlin zusammenarbeiten. Das Team entwickelte inzwischen ein künstliches Herzmodell aus weichem Kunststoff und ahmte so das menschliche Herz in seinen mechanischen Eigenschaften weitgehend nach. Dabei verwendeten die Materialexperten eine im 3-D-Druck hergestellte Form und stellten mithilfe einer Gusstechnik ein weiches Kunstherz aus Silikon her. Ziel des Projekts war es, die physiologische Bewegung des menschlichen Muskels möglichst gut nachzuahmen. Im Gegensatz zum VAD wird es als sTAD (soft Total Artificial Heart) ­bezeichnet.

 

Das so entwickelte Modell musste jedoch noch beweisen, dass es nicht nur ähnlich aussieht wie ein menschliches Herz, sondern auch dessen physiologische Eigenschaften nachahmen kann. Einen entscheidenden Fortschritt brachte dabei ein spezieller Bioreaktor, der es erlaubt, per Knopfdruck die Kreislaufbedingungen von Gesunden, aber auch von Patienten mit Herzschwäche zu simulieren. ­Wurde das sTAD an diesen Bioreaktor angeschlossen, zeigte sich ein weit­gehend physiologischer Druckverlauf. Dass bei Bedarf auch mehr Blut in Umlauf gebracht wird, belegte ein eigens dafür entwickelter Sensor, der über Ultraschall kontinuierlich die Flüssigkeitsmenge maß und so Druckänderungen anzeigte.

 

Potenzielle Träger des Kunstherzes sollen mit möglichst wenig Antikoagulanzien auskommen und trotzdem vor Thrombosen und Embolien geschützt sein. Ein störungsfreier Blutfluss ist dafür wichtig, reicht aber nicht aus. Die körpereigenen Gefäße schützt eine Endo­thelschicht. Genau das übernahmen die Wissenschaftler, indem sie aus einem weichen, elastischen Kunststoff eine Oberfläche mit einer Wabenstruktur aus sechseckigen Zellen konstruierten. Erste Versuche, die innovative Oberfläche mit menschlichen Endothelzellen zu besiedeln und das Konstrukt einzupflanzen, sind im Tierversuch bei Schafen bereits geglückt.

 

Großer Bedarf

 

Bis das »Zurich Heart« wirklich einsatzbereit ist, könnte es allerdings noch rund zehn Jahre dauern. Einzelne Elemente dürften jedoch schon deutlich früher verfügbar sein – und der Bedarf ist groß. Immer mehr Menschen überleben einen akuten Herzinfarkt. Dabei werden oft große Teile des Herzmuskels geschädigt, und die Patienten entwickeln in den folgenden Jahren eine Herzinsuffizienz. Auch andere Erkrankungen, wie eine Myokarditis, können in eine solche Herzschwäche münden, die in ihrem Endstadium nur schwer zu behandeln ist. Weltweit sind 26 Millionen Menschen von Herzinsuffizienz betroffen. Auch in Entwicklungsländern steigen die Patientenzahlen. Oftmals wäre eine Transplantation die einzige wirkliche Hilfe, doch dazu fehlen Spenderorgane. Selbst bei hoher Dringlichkeit besteht eine durchschnittliche Wartezeit von drei Monaten. /

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