«Zurich Heart» – Bio-Tarnkappe für künstliche Herzpumpen
Dübendorf – Zehn Millionen Menschen in Europa leiden an einer Herzschwäche – viele von ihnen benötigen ein Spenderherz. Künstliche Herzpumpen können die Wartezeit bis zur Transplantation überbrücken. Doch das Immunsystem des Menschen erkennt diese Pumpen und wehrt sich. Die Empa arbeitet im Forscherverbund Zurich Heart an einer Lösung.
Künstliche Herzpumpen erweisen sich als tückisch: Es können sich Blutgerinnsel bilden, die zu einem Schlaganfall führen, und Immunreaktionen erfolgen, weil der Körper das für ihn fremde Material abstösst. Um diesen und anderen Problemen mit künstlichen Herzen beizukommen, lancierte das Universitätsspital Zürich gemeinsam mit der Universität und der ETH Zürich 2011 unter dem Dach der Hochschulmedizin Zürich das Projekt Zurich Heart. Im Konsortium haben sich mittlerweile mehr als 75 Medizinerinnen, Ingenieure, Biologinnen und Materialwissenschaftler zusammengefunden. Zurich Heart soll gängige Herzpumpen weiterentwickeln und andererseits völlig neue, originelle Lösungen erarbeiten. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines voll implantierbaren Kunstherzens. Rund 20 Forschungsgruppen in der Schweiz sowie am Deutschen Herzzentrum Berlin bündeln ihre herausragenden Kompetenzen zur Verwirklichung dieses ambitionierten Ziels.
Als Materialforschungsinstitut ist die Empa prädestiniert, innovative Lösungen beizusteuern. «Wir möchten eine künstliche Herzpumpe herstellen, die ähnlich funktioniert wie das menschliche Herz, deren innere Fläche aber mit patienteneigenen Zellen bedeckt ist», erklärt Edoardo Mazza, Leiter der Empa-Abteilung für Mechanische Integrität von Energiesystemen, Professor an der ETH Zürich und Co-Projektleiter von Zurich Heart. An dieser für Blutgerinnungs- und Immunsystem «unsichtbaren» Herzpumpe arbeiten zwei Teams der Empa mit, eines aus dem Bereich Biotechnologie/Biointerfaces, das andere aus dem Textilbereich.
Textilien und menschliches Gewebe
Doch was haben Textilien mit menschlichen Organen zu tun? Mehr, als man auf den ersten Blick vermuten könnte. Spricht man nicht von menschlichem Gewebe, von Muskelfasern, die reissen können? Sind Venen und Arterien doch eigentlich Hohlfasern, durch die unser Blut fliesst? «Textilentwicklung hat heutzutage nichts mehr mit Baumwoll-T-Shirts und dergleichen zu tun», sagt denn auch René Rossi, Leiter der Empa-Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles». Ein Textil ist für ihn, wenn aus einem eindimensionalen Material – einer Faser – ein zweidimensionales Gebilde entsteht. Das kann ein Gewirke, Gewebe, Gestricke sein. «Den Materialien und Eigenschaften sind theoretisch keine Grenzen gesetzt», so Rossi. «Die Fasern können etwa aus Metall, Holz und Kunststoff sein. Daraus entstehen dann Textilien beziehungsweise Gebilde, die formbar, dehnbar, leicht und so weiter sind.»
Eines der Hauptprobleme der gängigen Herzpumpen ist, dass Blut beim Kontakt mit ihnen zu koagulieren beginnen kann. Es bilden sich manchmal Blutgerinnsel, die durch den Körper wandern und Schlaganfälle oder Embolien verursachen können. Wenn nun die Wand der künstlichen Herzpumpe eine Art Beschichtung erhält, die vom Blut als «natürliche» Umgebung wahrgenommen würde, könnte man – so zumindest die Hypothese – Blutgerinnseln vorbeugen.
Natürliche Blutgefässe sind auf der Innenseite mit einer Schicht Endothelzellen ausgekleidet. Sie regulieren den Austausch zwischen Blut und Körpergewebe. Deshalb arbeiten die Empa-Wissenschaftler nun an einem hauchdünnen Vlies aus aneinander haftenden Polymerfasern, die weniger als ein Mikrometer dünn sind. Auf diesem «Stoff» werden lebende Endothelzellen angesiedelt, die eine Schicht bilden, wie es sie in allen Lymph- und Blutgefässen gibt. Eine solche Gewebeoberfläche könnte dem Blut vorgaukeln, dass es sich bei der Pumpe um ein körpereigenes Organ handelt. Damit sich die Endothelzellen in dem künstlichen Gewebe sozusagen rundum wohl fühlen, müssen sie sich an dem Vlies gut festhalten können; ein einfaches Vlies aus Polymerfasern ist dafür kaum geeignet.
Elektrospinnen und lebende Zellen
Hier kommt die Elektrospinn-Anlage der Empa zum Zug. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, mit dem sich Polymere, alsorein organische und Hybridfasern mit Durchmessern von weniger als einem Mikrometer herstellen lassen. Damit werden neuartige Membranen für den Einsatz in der Medizintechnik, in der Katalyse und in der Filtertechnik möglich. Zwischen einer Kanüle, aus der eine Polymerlösung gedrückt wird, und einer Gegenelektrode ist eine elektrische Spannung angelegt – und sie zieht Fäden. Dank des elektrischen Felds verwirbeln sich die Fäden, bis sie eine gewebeartige Membran bilden. Hält man sie in der Hand, fühlt sie sich an wie ein hauchdünner, elastischer Lappen. «Die Membran für die Herzpumpe muss stabil und beständig sein und in alle Richtungen gedehnt werden können», sagt Giuseppino Fortunato von der Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles». «Sie muss richtig was aushalten.» Schliesslich schlägt das Herz etwa 100 000 Mal am Tag.
Muskelzellen bilden das Fundament
Im Inkubator können auch Mischgewebe aus Fasern und Zellen entstehen. Um die Zellen kümmert sich dabei das Biointerface-Team von Katharina Maniura. Sie verwenden dazu glatte Muskelzellen, welche auf der hybriden Membran eine Zellstruktur bilden, wie sie auch in natürlichen Blutgefässen zu finden ist. Auf diesem «Unterbau» sollen dann Endothelzellen angesiedelt werden. Ganz besonders wohl fühlen sich die Zellen, wenn sie einen Unterbau vorfinden, der sie an körpereigene Strukturen erinnert, genauer gesagt an Kollagenfasern etwa aus dem Bindegewebe. «Wir müssen Muskelzellen dazu bringen, Kollagen zu produzieren, dort haften die Endothelzellen dann dauerhaft», erklärt Maniura. Sie führt weiter aus: «Wenn das Gewebe aus zwei Typen von Zellen besteht, senden sie Signale aus und tauschen sich so untereinander aus. Das hat ebenfalls den Effekt, dass die Endothelzellen auf der Oberfläche stabilisiert werden und bereitwillig ihre natürlichen Aufgaben übernehmen», sagt Maniura. Um die durch das Elektrospinnen hergestellten Fasern für die Zellen besonders attraktiv zu machen, sollen die Polymerfasern mit Zellhaftungspeptiden funktionalisiert werden. Sowohl den Endothel- als auch den Muskelfaserzellen soll die ihnen typische natürliche Umgebung «präsentiert» werden – damit das Gesamtkonstrukt möglichst lange lebt.
Materialsystem im Bioreaktor
Ob das Ganze in der Praxis funktioniert, wird in einem Bioreaktor untersucht. Darin wird das Materialsystem, also die von allen Zurich-Heart-Teams entwickelte synthetische Elastomer-Pumpenwand zusammen mit dem Zell-Textilmaterial der Empa «realen» Bedingungen ausgesetzt. Der Reaktor bildet die Situation im menschlichen Körper nach, lässt anstelle von Blut eine Zellkulturflüssigkeit vorbei pulsieren simuliert also Pulsschläge, die die Bewegungen des Herzmuskels imitieren. Dies soll den Forschern zeigen, ob die «getarnten» Materialien der hohen Belastung im menschlichen Körper standhalten.
«Wir werden eine Studie mit den ersten Prototypen der biomimetischen Herzpumpen noch in diesem Jahr durchführen. Für eine klinische Anwendung braucht es aber noch viele Jahre», glaubt Mazza. Die Pumpe muss jeweils individuell mit körpereigenen Zellen des Patienten «bewachsen» werden. Dazu werden den Patienten dereinst im Spital Zellen aus dem Blut, aus Gefässen oder dem Fettgewebe entnommen werden. Diese lässt man während zwei bis drei Wochen im Labor wachsen und bringt dann die Herzpumpe mit der Endothelschicht als Implantat ein. «Für Notoperationen wäre dieses Prinzip zu langsam», erläutert Mazza. Aber bei Patientinnen und Patienten mit einer Herzmuskelschwäche könnte der Herzmuskel durch die biomimetische Pumpe derart entlastet werden, dass sich das Herz sogar von alleine regenerieren kann. Hilfe zur Selbsthilfe sozusagen.
SUBITEX
Die Empa hat 2014 zusammen mit Partnern aus der Textilindustrie und anderen Branchen die Forschungsinitiative «SUBITEX» (SUstainable BIotechnological TEXtiles) lanciert. (Empa/mc/pg)
