Das perfekte Kunstherz

In Zürich und Berlin arbeiten Forscher an einer Herzpumpe, die sich der Herzbelastung des Patienten anpasst, ohne Kabel funktioniert und keine Blutgerinnsel verursacht.

Helfen, das Kunstherz neu zu erfinden: Seraina Dual (links) und Marianne Schmid in ihrem Labor an der ETH. Foto: Doris Fanconi

Helfen, das Kunstherz neu zu erfinden: Seraina Dual (links) und Marianne Schmid in ihrem Labor an der ETH. Foto: Doris Fanconi

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Schon im Gymi interessierte sich Seraina Dual für Physik und Medizin. Nun steht die Maschineningenieurin in einem Seminarraum der ETH vor 30 meist jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern und präsentiert ihre neusten Forschungsergebnisse: In einem Silikonherz, das an eine Blutpumpe angeschlossen wird, testet sie unterschiedliche Arten von Sensoren, zum Beispiel einen Ultraschallsensor. Mit neuer Sensortechnik sollen dereinst künstliche Herzpumpen so geregelt werden, dass ihre Leistung sich dem Bedarf der Patienten anpasst. Im Tagesverlauf kann dieser stark variieren, beim Treppensteigen etwa braucht der Mensch viel mehr Sauerstoff als im Schlaf.

Während Kunstherzen früher nur als Zwischenlösung bis zu einer Herztransplantation dienten, werden sie heute zunehmend definitiv eingesetzt. «Deshalb ist es wichtig, dass sie sich dem Alltag der Träger anpassen», erklärt Dual. Ihre Erkenntnis aus dem Sensorenvergleich: «Die Technologie beim Ultraschall ist noch in den Kinderschuhen.» Doch wenn sie dann funktioniere, könnte ein Kunstherz bald verlässlicher sein.

Ein Netzwerk fürs Herz

Duals Forschung ist Teil eines grossen Projekts namens Zurich Heart. 18 Gruppen arbeiten daran, das Kunstherz nicht nur zu verbessern, sondern es eigentlich neu zu erfinden. Beteiligt sind Elektro-und Maschineningenieure, Biologinnen, Physikerinnen, Produktedesignerinnen, Biochemiker. Dazu kommen zahlreiche Herzmediziner in Zürich und Berlin. «Das Projekt ist weltweit einzigartig, weil es sich sehr breit mit der Thematik auseinandersetzt», sagt Maschineningenieurin Marianne Schmid Daners. Sie leitet die Medizintechnik-Gruppe am ETH-Institut für Produktentwicklung, wo Seraina Dual doktoriert.

Etwa die Hälfte aller Beteiligten ist an diesem Dienstagmorgen im April am Workshop erschienen, an dem Zwischenbilanz gezogen wird. Darunter sind auffallend viele junge Frauen. Das Thema Herz scheint für sie speziell attraktiv zu sein. In der ersten Reihe sitzt Volkmar Falk, der Leiter des Deutschen Herzzentrums Berlin. Er hört den Vorträgen aufmerksam zu, stellt danach Fragen. Von Seraina Dual möchte er wissen, wann der Ultraschallsensor direkt in die Pumpe integriert werden kann. «Das dauert noch», antwortet sie.

Januar 2014: Falk ist Professor für Herzchirurgie an der Uni Zürich und Klinikdirektor im Universitätsspital. Eine seiner Patientinnen, eine junge Mutter, liegt seit sechs Monaten im Spital. Eine Virusinfektion hat ihre beiden Herzkammern schwer beschädigt. Der Anblick ist nicht leicht zu ertragen: Die Frau liegt ermattet da, aus einem grossen Schlauch fliesst das Blut aus ihrem Körper heraus, durch eine Maschine neben dem Bett und dann wieder in den Körper zurück. Nur ein Spenderherz kann ihr noch helfen.

Das Blut gerinnt

Einem anderen Patienten von Falk geht es besser. Der 69-jährige Italiener kommt zur Kontrolle. Er erhielt kürzlich ein Kunstherz, nachdem er zwei Jahre lang vergeblich auf eine Organspende gewartet hatte. Ohne Eingriff wäre er gestorben, seit 15 Jahren schon litt er an Herzschwäche. Der Mann schwärmt von der Operation. Früher geriet er bei jedem Schritt ausser Atem, jetzt hat er wieder Energie. Er trägt eine Tasche bei sich, sie ist ziemlich schwer. Darin befinden sich ein Überwachungsgerät und zwei Batterien, die über ein Kabel mit seinem Körper verbunden sind; genauer mit der kleinen Pumpe, die auf seiner Herzspitze sitzt. Sie lässt das Blut durch den Körper fliessen. Der Mann hat keinen Puls. Alle fünf Stunden muss er die Batterien aufladen.

«Der Patient hat jetzt eine viel bessere Lebensqualität als vorher», sagt der Herzchirurg. Allerdings gibt es – neben der lästigen Tasche – auch mögliche Probleme: Sein Schlaganfallrisiko ist erhöht, weil das Blut beim Fluss durch die künstliche Pumpe gern gerinnt. Zudem bilden sich an der Eintrittsstelle des Stromkabels in den Körper häufig Infektionen. Doch Volkmar Falk ist hoffnungsvoll: «Das Zurich-Heart-Projekt wird Verbesserungen bringen.» Der Professor knüpfte in seiner Zürcher Zeit enge Kontakte zu Spezialisten aus diversen Disziplinen der ETH und der Universität und stellte mit ihnen das Kunstherzprojekt auf die Beine. Als er 2014 nach Berlin wechselte, lief es weiter.

Falk fliegt deshalb mehrmals im Jahr nach Zürich. Und Zürcher Forscherinnen reisen öfter nach Berlin, um sich mit den dortigen Herzmedizinern auszutauschen. Das Deutsche Herzzentrum hat europaweit das grösste Kunstherzprogramm mit jährlich rund 200 Patienten – in Zürich sind es 15 bis 20, weltweit circa 4000. Tendenz steigend. Die Operation kostet in der Schweiz zwischen 100 000 und 150 000 Franken.

Noch gibt es keine gute Lösung für Menschen mit Herzschwäche im Endstadium. Volkmar Falk ist aber zufrieden mit dem Fortschritt der Forschungen. So zeigt ein junger Elektroingenieur am Workshop seinen Prototyp für die kabellose Energiezufuhr. Ein schwarzes Kästchen, 6?8,5?20 Millimeter gross und 188 Gramm schwer, enthält die Batterie. Diese wird per Induktion aufgeladen und läuft im aktuellen Modell 1,8 Stunden. Falk anerkennend: «Vor drei Jahren war das erst eine Zeichnung auf einer Serviette.» Nun soll das Gerät, das dereinst in die Brust implantiert wird und die Herzpumpe antreibt, noch kleiner und leichter werden.

Mehrere Forscherinnen und Forscher arbeiten zudem an der Entwicklung einer biologischen Membran. Sie wird die grundlegende Komponente einer künstlichen Herzpumpe sein, die zu 100 Prozent blutverträglich ist. Co-Projektleiter und Mechanikprofessor Edoardo Mazza erklärt es so: «Das Blut soll nicht merken, dass es durch eine Maschine läuft.» Die grosse Herausforderung bestehe darin, die biologische Schicht auf eine synthetische Fläche aufzusetzen und so ein strapazierfähiges, langlebiges Gewebe zu kreieren. «Das Gewebe muss die ständige Pumpbewegung aushalten und 10 bis 20 Jahre funktionieren.»

In grossen Schritten voran

Am Workshop werden unterschiedliche Lösungsansätze vorgestellt. Ein Forscher des eidgenössischen Materialforschungsinstituts Empa zum Beispiel versucht, die natürliche Oberfläche von Blutgefässen nachzuahmen, indem er vorpräparierte Zellen in die Membran einspritzt. Eine Wissenschaftlerin vom ETH-Institut für Biomechanik produziert die Membran aus Nanofasern, die elektronisch gesponnen werden. Ein weiterer Kollege prüft, welches Gerüst sich am besten als Träger für die Biomembran eignet. Und so weiter. Am Schluss werden alle Membranen unter gleichen Bedingungen getestet.

«Wir sind einen Riesenschritt vorangekommen», bilanziert Falk am Ende des Tages, «wir können heute ein Gerüst mit einer biologischen Membran besiedeln.» Im Spätsommer soll der erste Pumpenprototyp in Berlin an Schafen getestet werden. Bis zur klinischen Anwendung dauert es aber noch «mindestens zehn Jahre», so Falk.

Einzelne Forschungsergebnisse werden separat weiterentwickelt und praxistauglich gemacht – so zum Beispiel eine neue Einkleidung von Kabeln, die Entzündungsreaktionen hemmt. Die Methode wurde im Labor von Thermodynamikprofessor Dimos Poulikakos und seinem Gruppenleiter für biologische Materialien, Aldo Ferrari, erfunden. Nun arbeiten Forscher am Wyss-Zentrum in Zürich daran. Funktioniert die Technik, kann sie auch bei anderen Implantaten eingesetzt werden. Für viele Patienten und Patientinnen wäre das ein grosser Gewinn.

Erstellt: 14.05.2017, 17:22 Uhr

Kunstherz

Erste Verpflanzung vor 35 Jahren

10 Mio.

Etwa 1 bis 2 Prozent der erwachsenen Bevölkerung leiden an einer schweren Herzschwäche. Das betrifft in Europa etwa 10 Millionen Menschen. Manchen kann nur mit einem Spenderherz geholfen werden. Weil jedoch vielfach kein geeignetes Organ zur Verfügung steht, kommen sogenannte mechanische Kreislauf-Unterstützungssysteme zum Einsatz. Die auf dem Markt angebotenen Produkte haben jedoch im längerfristigen Einsatz erhebliche Nachteile.

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Mediziner, Ingenieure, Biologen und Materialwissenschaftler suchen im Rahmen des Projekts «Zurich Heart» nach Innovationen, um gängige Herzpumpen weiterzuentwickeln – mit dem Ziel, ein vollständig implantierbares Kunstherz zu schaffen. Die Wissenschaftler gehören einem Konsortium an, welches das Universitätsspital Zürich gemeinsam mit der Universität und der ETH Zürich 2011 unter dem Dach der Hochschulmedizin gründete. Initiant des Projekts war Volkmar Falk, ärztlicher Direktor des Deutschen Herzzentrums Berlin. Früher war Falk Direktor der Klinik für Herz- und Gefässchirurgie des Universitätsspitals Zürich.

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Tage lebte der Amerikaner Barney Clark, nachdem ihm in Salt Lake City das weltweit erste Kunstherz eingepflanzt wurde, das als längerfristige Lösung gedacht war. Das war 1982. Der Herzchirurg hiess Robert Jarvik. Auch wenn der Patient den Eingriff nicht allzu lange überlebte, gilt dieser Eingriff als Beginn einer neuen Ära in der Herzchirurgie.

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