Kein Herz aus Stahl, sondern aus Titan - RWTH

Kein Herz aus Stahl, sondern aus Titan
Was kann man tun, wenn ein Herz zu schwach wird, um alleine zu schlagen? Die moderne Medizin
hält einige Lösungen parat. Viele verschiedene Hilfsmittel, wie zum Beispiel Schrittmacher oder
Unterstützungssysteme, werden verwendet. Aber die Herzen einiger Patienten sind so krank, dass sie
auch mit Unterstützung nicht mehr in der Lage sind, ihre Träger am Leben zu erhalten. In solchen
Fällen ist eine Organtransplantation die einzig mögliche Lösung. Allerdings gibt es nicht annähernd
genug Spenderherzen. Etwa 400 Herzen gibt es pro Jahr für fast 1.000 Patienten, die auf der
Warteliste stehen. Und die Patienten auf der Warteliste bilden auch nur die Spitze des Eisbergs. Nicht
alle Menschen, deren Herzen nicht mehr richtig funktionieren, schaffen es darauf. Krebsleiden, HIV
oder Erkrankungen anderer Organe schließen Betroffene prinzipiell als Kandidaten für eine
Organtransplantation aus. Für all diese Patienten ist ein künstliches Herz, also eine Art Prothese, die
einzige Chance.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Angewandte Medizintechnik (AME) der
RWTH Aachen haben sich mit dem Herz- und Diabeteszentrum NRW in Bad Oeynhausen und dem
renommierten Herzchirurgen Prof. Dr. Reiner Körfer zusammengeschlossen. Zusammen haben sie
ein solches Kunstherz entwickelt: das ReinHeart. In der Aachener Arbeitsgruppe Kardiovaskuläre
Technik (CVE) arbeiten Forscher aus ganz verschiedenen Fachbereichen zusammen an dieser
Innovation, die tausenden Herzpatienten die Hoffnung auf ein neues Herz zurückgeben kann.
Ein Kunstherz als Ersatz
Im Gegensatz zu anderen Kunstherz-Systemen ist das ReinHeart nicht als kurzfristiger Behelf,
sondern als dauerhafter Ersatz für das kranke Herz gedacht. Bisher sind Kunstherzen noch keine
Alternative zu Spenderorganen. Sie werden nur verwendet, um die Zeit bis zur Transplantation zu
überbrücken. Das Problem ist, dass sie noch nicht kompakt genug sind, um komplett implantiert zu
werden. Stattdessen werden sie über Schläuche bzw. Kabel von einer externen Energiequelle mit
Druckluft oder Strom versorgt. Entlang dieser Hautdurchführungen können Bakterien in den Körper
gelangen, was sehr gefährlich ist. Deshalb beschränkt man die Nutzung auf möglichst kurze
Zeiträume.
Der Arbeitsgruppe Kardiovaskuläre Technik ist es nunmehr gelungen, ein Kunstherz zu entwickeln,
das vollständig implantiert werden kann. Die gesundheitsgefährdenden offenen Stellen können
durch eine transkutane Energieversorgung vermieden werden. Dabei wird die Spannung drahtlos
mittels Spulen über die Haut übertragen. Das funktioniert im Prinzip genau so wie das Aufladen einer
elektrischen Zahnbürste, die in der Ladestation steht.
Die einzigen Elemente der Herzprothese, die nicht implantiert werden und somit außerhalb des
Körpers getragen werden, sind die Steuerungseinheit und ein Akku. Sie werden an einem Gürtel
befestigt, sodass der Patient kaum eingeschränkt wird. Die äußere Induktionsspule kann einfach mit
Pflaster an der Brust befestigt werden; dort, wo das Gegenstück im Körperinneren liegt.
Eine besonders große Herausforderung für die Forscher war es, alle Bauteile so klein zu gestalten,
dass sie vollständig implantiert werden können. Durch einen besonderen Antrieb und ganz viel
elektrotechnische Feinarbeit haben sie es aber geschafft: Das ReinHeart ist nur minimal größer und
schwerer als ein natürliches Herz. „Dadurch ist es für etwa 80 Prozent der Patienten passend“, erklärt
Diplom-Ingenieur Thomas Finocchiaro von der CVE.
Auf den ersten Blick ist das Kunstherz recht unscheinbar. Es sieht aus wie eine kleine Plastikbox mit
vier Ausgängen und einem Metallring in der Mitte. Aber der Teufel steckt im Detail. Innerhalb des
silbernen Titanringes versteckt sich der komplette Antrieb für das Herz, das mehr als 300 Liter Blut
pro Stunde pumpt. Das ist ein elektromagnetischer Linearantrieb, bei dem immer abwechselnd eine
Druckplatte gegen eine der Herzkammern gedrückt wird. Durch die Verkleinerung des Volumens
entleeren sich dann die Pumpkammern. Mit dem neuen Antrieb konnte auch der Verschleiß
minimiert werden. Da kein Getriebemehr verwendet wird, werden die Bauteile wesentlich weniger
belastet und somit die Langlebigkeit des Antriebs erheblich gesteigert.
Rechts und links neben der Pumpeinheit sind die Pumpkammern – das Gegenstück zu den
natürlichen Herzkammern – zu finden. Diese bestehen aus Polyurethan, also Kunststoff, und sind in
ihrer Form so optimiert, dass der Durchfluss des Blutes durch die Herzkammern verbessert wird.
Wenn das Blut nämlich nicht ständig in Bewegung bleibt, kann es verklumpen und sogenannte
Thromben bilden. Diese können Adern verstopfen oder sogar zu Schlaganfällen führen.
An den vier Ausgängen des ReinHeart werden die Vorhöfe des natürlichen Herzens, die Aorta und die
Pulmonalarterie, die zur Lunge führt, angeschlossen. Damit der Übergang zwischen dem Kunstherzen
und den körpereigenen Strukturen möglichst gut gelingt, hat das CVE-Team sogar eigenhändig eine
Art biokompatiblen Schlauch entwickelt, der an diesen Stellen als Adapter fungiert.
Zusätzlich zu dieser Pumpeinheit, die den Platz des Herzens einnimmt, werden noch zwei weitere
wichtige Elemente implantiert: ein Volumenkompensator, der mögliche Druckschwankungen
ausgleichen kann, und ein Akku. Der Akku speichert immer etwas von der Energie, die von der
externen Versorgungseinheit übertragen wird. Das ermöglicht es dem Träger, die Stromversorgung
kurzfristig abzulegen, zum Beispiel beim Duschen oder Schwimmen. Mindestens eine Stunde kann er
so ohne externe Versorgungseinheit auskommen.
Erste Tests
Im Moment befindet sich das ReinHeart noch in der Testphase. In verschiedenen Labortests werden
die Haltbarkeit der einzelnen Bestandteile und ihre Funktion überprüft. Die Ergebnisse sind
vielversprechend. Das (vorläufige) Ziel der Wissenschaftler vom CVE ist es, eine Haltbarkeit von fünf
Jahren zu erreichen. „Nach diesem Zeitraum beträgt auch die Überlebensrate nach einer
Herztransplantation nur noch ca. 70 Prozent. Wenn das Kunstherz also eine Lebensdauer von
mindestens fünf Jahren erreicht, kann es als wirkliche Alternative zur Herztransplantation angesehen
werden “, so Finocchiaro. Eine große Zukunftsvision wäre es, wenn das Kunstherz eines Tages den
Empfänger bis an sein Lebensende begleiten würde. Finocchiaro betont aber: „Ein natürliches Herz
hat eine Lebensdauer von über 80 Jahren. Das ist mit technischen Mitteln zurzeit einfach nicht zu
erreichen.“
Erste Funktionstests des Kunstherzens in lebenden Tieren wurden auch schon durchgeführt. Dabei
wurde Kälbern das ReinHeart implantiert. Auch die Ergebnisse dieser Tests lassen auf Großes hoffen:
Das Kunstherz hat über mehrere Stunden die komplette Kreislauffunktion übernommen. Für Mitte
des Jahres sind erste Langzeittierversuche geplant, in denen die Kälber die Kunstherzen über einen
Zeitraum von bis zu drei Monaten tragen sollen. Diese Testreihen werden bis Mitte 2013 dauern. Im
Anschluss daran könnten erste klinische Versionen des ReinHeart hergestellt werden, die für den
Einsatz im Menschen vorgesehen sind. Erste Implantationen in menschliche Patienten können
vermutlich 2015 stattfinden.
Nele Messelken
Kontakt:
Dipl.-Ing. Thomas Finocchiaro
Lehr- und Forschungsgebiet Kardiovaskuläre Technik (CVE)
Institut für Angewandte Medizintechnik (AME)
Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen
Pauwelsstraße 20
52074 Aachen
Telefon: 0241/80-856 50
E-Mail: [email protected]
www.cardiovascular-engineering.com
Bildunterschrift:
„ReinHeart“ bedeutet Hoffnung für tausende Menschen, die kein Spenderherz erhalten können. Das
kleinste voll implantierbare Kunstherz wird jetzt an der RWTH Aachen entwickelt.
Foto: CVE/AME – RWTH Aachen