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FORSCHUNG: Ein Herz aus Plastik

Weil es zu wenig Spenderherzen gibt, forscht man an der ETH am Kunstherz aus dem 3D-Drucker – noch schlägt es nur eine halbe Stunde. Vielversprechender sind Projekte für künstliche Blutgefässe.
Andreas Lorenz-Meyer
Das Kunstherz aus dem 3D-Drucker der ETH Zürich wiegt 390 Gramm, hat ein Volumen von 679 Kubikzentimetern, schlägt aber nur 3000-mal. (Bild: PD)

Das Kunstherz aus dem 3D-Drucker der ETH Zürich wiegt 390 Gramm, hat ein Volumen von 679 Kubikzentimetern, schlägt aber nur 3000-mal. (Bild: PD)

Andreas Lorenz-Meyer

In den Industrienationen leiden ein bis zwei Prozent der Erwachsenen an einer schweren Herzschwäche. Betroffene mit Herzinsuffizienz im Endstadium sind dringend auf ein Spenderherz ­angewiesen. Doch das steht oft nicht zur Verfügung. Und die mechanischen Kreislaufunterstützungssysteme, mit denen man versucht, die Zeit bis zur even­tuellen Transplantation zu überbrücken, haben ihre Grenzen und Nachteile.

Das Projekt «Zurich Heart» soll die Situation von schwer Herzkranken verbessern. Es bringt Forscher der Empa, der ETH ­Zürich, der Universität Zürich, der universitären Spitäler in ­Zürich sowie des Deutschen Herz­zentrums Berlin zusammen. In Teilprojekten tüfteln sie am ­Produktdesign, an Materialien oder an ­Simulationen, wie das Blut durch die Pumpe strömt. Sie untersuchen, wie die Blutschä­digung durch die mechanische Ein­wirkung und die künstliche Oberfläche der Pumpe reduziert ­werden kann. Oder testen hyperelastische Membrane und weiche Materialien, welche die Pumpe verbessern könnten.

Ein voll implantierbares Kunstherz als Ziel

Das langfristige Ziel: die Entwicklung eines voll implantier­baren Kunstherzens –neben dem Spenderherzen die einzige Behandlungsmöglichkeit bei Herzinsuffizienz im Endstadium. Soweit ist die Forschung aber noch nicht. Daher geht es zuerst einmal um die Optimierung der Herzassistenzpumpen.

Ein Teilprojekt führt die Empa in ihren Laboren in St. Gallen durch. Dort arbeitet man an der Auskleidung der Pumpe. Sie soll den Kontakt zwischen Blut und Pumpenmaterial verhindern, da es durch den Kontakt mit Materialien, die dem Körper fremd sind, zur Blutgerinnung kommen kann. Die Forscher entwickeln eine Beschichtung aus Zellen, die den gleichen Aufbau wie menschliche Blutgefässe haben. Dadurch ist ihre Blutverträglichkeit optimal.

Empa-Forscher Lukas Weidenbacher: «Unsere Blutgefässe bestehen aus glatten Muskelzellen, die in einem Netzwerk sitzen. Auf diesen Zellen sitzt wiederum eine Schicht aus sogenannten Endo­thel­zellen, die für die heraus­ragenden Blutkontakteigenschaften sorgt.» Genau diesen Aufbau will man biomimetisch nach­bauen. Biomimetisch bedeutet, dass biologische Strukturen oder Prozesse nachgeahmt werden.

Die biomimetische Auskleidung wird per Elektrospinning hergestellt. Hier spinnt man ein Gerüst aus fadendünnen Polymerfasern. Das wird benötigt, um die Blutgefässarchitektur nachzubauen. Am Ende soll das Gerüst im Inneren der Pumpe angebracht werden. Für den Prozess braucht man allerdings Lösungsmittel – und die sind Gift für die Zellen. Deswegen wenden die St. Galler Forscher ein zweites Verfahren an: das Elektro­spraying. Hier werden die Zellen zuerst in schützende Gelatinekapseln gepackt, bevor man sie ins Polymergerüst einsprüht. «Der Schutz ist nur vorübergehend notwendig», erklärt Weiden­bacher, «da die Lösungsmittel herausgewaschen werden können.» Danach werden die Kapseln nicht weiter benötigt. Nach dem Einbringen der Zellen lösen sie sich von selbst auf. Die Spray­technik ist so interessant, weil man sie gut mit dem Herstellungs­prozess des Polymergerüsts kombinieren kann. Weidenbacher und Kollegen konnten nach­weisen, dass ein Schutz der Zellen notwendig ist, um solche Konstrukte herzustellen. Die ­Studie dazu erscheint im Dezember in der Fachzeitschrift «Acta Biomaterialia».

Im Prinzip funktioniert die Kombination Elektrospinning/Elektrospraying, wie Laborver­suche in St. Gallen bewiesen. Die ersten Experimente wurden mit Muskelzellen von Mäusen durchgeführt. Die hat man genommen, um das Modell zu prüfen. Es ­zeigte sich, dass der Prozess keinen Schaden an den Zellen anrichtet und diese ihre Funktion weiterhin ausüben können. In Zukunft sollen die Zellen aber nicht von Mäusen, sondern von den Herzpatienten selbst stammen. Weidenbacher: «Es ist eine riesige Herausforderung, mit menschlichen Zellen zu arbeiten, aber generell besteht immer die Hoffnung, dadurch die Immunabwehr des Körpers auszutricksen, sodass es keine Abstossungsreaktionen gibt.»

Kunstherz hielt nur 3000 Schläge durch

Aktuell geht es bei Zurich Heart lediglich um eine Assistenz­pumpe, noch nicht um ein komplett künstliches Herz. Um das hinzubekommen, wird noch viel Forschung nötig sein. Man muss unter anderem das komplexe Gewebe des Herzens, seine Struktur und Funktionalität nachahmen können. Die Gruppe für Funktionelles Material-Engineering an der ETH Zürich stellte im 3D-Drucker ein weiches Kunstherz aus Silikon her. Es wiegt 390 Gramm, hat ein Volumen von 679 Kubikzentimetern und besitzt eine rechte und eine linke Herzhälfte. Im Test bewegte sich das weiche Kunstherz tatsächlich ähnlich wie das menschliche Herz. Jedoch hielt das Material nur rund 3000 Schläge lang durch. Das entspricht einer halben bis dreiviertel Stunde.

Ein komplett künstliches Herz ist momentan noch schwer vorstellbar. Für Weidenbacher wäre es bereits ein grosser Fortschritt, ein funktionsfähiges biomimetisches Blutgefäss nachzubauen. Seine Hoffnung: dass sich durch eine neue Generation von Assistenzpumpen die Komplikationen für Patienten reduzieren und die Lebensdauer der Pumpen deutlich verlängern lassen.

Der Natur nachempfunden: Ein Geflecht aus Muskelfasern wächst auf einem Gerüst aus gesponnenem Kunststoff. Unter dem Laser-Scanning-Mikroskop erscheinen Muskelfasern rot und Zellkerne blau. (Bild: Empa)

Der Natur nachempfunden: Ein Geflecht aus Muskelfasern wächst auf einem Gerüst aus gesponnenem Kunststoff. Unter dem Laser-Scanning-Mikroskop erscheinen Muskelfasern rot und Zellkerne blau. (Bild: Empa)

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