Kunststoff erhält Herzklopfen

Jedes Jahr sind tausende Menschen auf die Implantation neuer Herzklappen angewiesen. Wenn verfügbar und verträglich, werden menschliche oder tierische Transplantate eingesetzt, andernfalls synthetische Erzeugnisse der Medizintechnik. Kunststoffe spielen in letztgenanntem Kontext eine wichtige Rolle. Wissenschaftlicher haben nun im sogenannten Elektrospinning-Verfahren eine neue Art synthetischer Herzklappe entwickelt. Die neue kunststoffbasierte Herzklappe ist erstmals in der Lage, mit dem Patienten zu wachsen.

Es gibt für uns Menschen keinen größeren Beleg für das Leben als der Schlag des Herzens. Bereits der vier Wochen alte, nur fünf Millimeter große Embryo hat einen Herzschlag. Angetrieben durch elektrische Impulse pumpt das bei einem durchschnittlich trainierten Erwachsenen in etwa faustgroße Organ unablässig Blut durch unseren Körper – 70mal in der Minute, 4200mal in der Stunde, 100.800mal am Tag, 36.792.000mal im Jahr. Unter Anstrengung und manchmal auch in Ruhe spüren wir unser Herz, wie es pocht und hämmert. Der Herzschlag ist für uns Menschen in vielerlei Hinsicht wichtigstes Indiz für Lebens- und Schaffenskraft, sein Fehlen indes deutet daraufhin, dass das Leben uns verlassen hat.

Erkrankungen an Herz und Kreislauf sind die häufigsten Todesursachen zumindest in der Bevölkerung der industrialisierten Welt. Durchblutungsstörungen des Herzmuskels aufgrund von Gefäßverengungen (Stenosen), wie sie bei Arteriosklerose infolge von Ablagerungen in den Arterien auftreten, spielen die größte Rolle. Verengte oder verstopfte Arterien führen dazu, dass das Herz, von seiner Natur her ein Muskel, nicht genügend Sauerstoff erhält, was auf Dauer zu einem Absterben des Muskelgewebes und damit auch zum Tod des Patienten führen kann.

Auf Platz zwei der herzbedingten Todesarten steht der Herzinfarkt, ausgelöst durch etwa ein Blutgerinnsel, das Gefäße verstopft und den Blutfluss in Gänze zum Erliegen bringt. Auf Platz drei rangiert die Herzschwäche (Herzinsuffizienz), die unter anderem angeboren sein kann und die mit einer mangelnden Pumpleistung des Herzens verbunden ist.

Das Herz ist ein Hohlmuskel und arbeitet wie eine Pumpe. Es hält mit seinen Kontraktionen den Blutkreislauf in Bewegung, über den alle Körpergewebe mit Sauerstoff und notwendigen Nährstoffen versorgt werden. Beim Pumpvorgang wird das Blut aus dem Herzen in das Gefäßsystem gepresst. Entspannt sich der Herzmuskel, fließt neues ein. Eine Scheidewand teilt das Herz in eine linke und eine rechte Hälfte, die wiederum aus einem linken und rechten Vorhof und einer linken und rechten Kammer bestehen. Vorhof und Herzkammer sind jeweils durch Herzklappen miteinander verbunden. Aufgabe der Herzklappen ist es dafür zu sorgen, dass kein Blut in die falsche Richtung fließt, was dramatische Auswirkungen haben kann. Von den Vorhöfen strömt das Blut weiter in die Herzkammern und dann wieder durch Herzklappen hindurch in die abführenden Blutgefäße.

Bei genauer Betrachtung erfüllen die vier Herzklappen die Aufgabe von Ventilen; sie regulieren die Richtung des Blutflusses. Allerdings können angeborene Herzfehler, degenerative Veränderungen im Alter oder Entzündungen die Herzklappen und damit deren einwandfreie Funktion in Mitleidenschaft ziehen. Funktionsstörungen führen nicht selten zu einer Herzinsuffizienz oder anderen folgenreichen Herzerkrankungen. 

Erkrankungen der Herzklappen können in jedem Lebensalter auftreten und sind häufig nur operativ zu beheben. Während bei manchen Patienten eine Korrektur des Herzklappenfehlers unter Erhaltung der natürlichen Herzklappe möglich ist, ist bei der Mehrheit der Patienten ein prothetischer Herzklappenersatz erforderlich. Tausende Menschen auf der ganzen Welt leben heute mit rekonstruierten, implantierten menschlichen, tierischen oder künstlichen Herzklappen.

Betroffen von Herzklappenfehlern sind auch Kinder. Dem Wachstumsprozess geschuldet, dem die jungen Menschen unterliegen, sind meist mehrere Operationen erforderlich, um die Größe des Implantats der jeweiligen Herzgröße anzupassen. Jede Operation jedoch erweist sich als Belastung und Risiko für den Patienten.

Auf der Suche nach einem synthetischen Implantat, das in der Lage ist, mit dem Organ mitzuwachsen, hat sich Svenja Hinderer, ehemals Mitarbeiterin des Instituts für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie der Universität Stuttgart begeben. Ihr Ziel war es, ein als Klappenersatz geeignetes Material zu entwickeln, das den menschlichen Körperzellen eine möglichst physiologische Umgebung zum an- und weiterwachsen bietet. Einen besonderen Fokus richtete die Chemikerin dabei vor allem auf das strukturgebende stützende Bindegewebe, dass unter anderem eine wichtige Funktion für die Ansiedlung funktionaler Körperzellen bietet.

Entscheidend für die Funktionalität eines Implantats sowie der Fähigkeit, buchstäblich wachsen zu können, ist vor allem ein grundlegender Aspekt: Körperzellen müssen es sozusagen wie körpereigenes Gewebe akzeptieren und buchstäblich durchdringend in alle Raumrichtungen bevölkern können. Zudem braucht es – zumindest bei der Herzklappe, die dauerhaft in Bewegung ist – einer gewissen Flexibilität und Festigkeit bei gleichzeitiger, randschließender Passgenauigkeit. Svenja Hinderer wurde im Rahmen ihrer Promotion fündig.

In einer Mischung aus Polyethylenglycol, kurz PEG, und Polymilchsäure (Polyactide, PLA) identifizierte die Wissenschaftlerin passendes Polymermaterial. 

• Polyethylenglycol ist ein, je nach Kettenlänge, flüssiges oder festes, chemisch inertes, wasserlösliches und nichttoxisches Polymer, das sich modifizieren und somit auch unter Einfluss von UV-Licht vernetzen lässt. Seiner Eigenschaften wegen wird es häufig in der Medizin, in der Pharmazie, in industriellen Anwendungen, in der zellbiologischen Forschung und in Kosmetikprodukten eingesetzt.
• Die Polymilchsäure lässt sich aus Milch gewinnen und synthetisieren und zählt zu den Polyestern, aus denen sich unter Wärmeeinfluss verformbare Kunststoffe (Thermoplaste) herstellen lassen. PLA ist biokompatibel, das heißt dieses Polymer wird im weitesten Sinnen gut vom lebenden Organismus vertragen.

Um die Polymermischung zu einem hinreichend durchlässigen synthetischen Stützgewebe in Herzklappenform zu verarbeiten, nutzte Svenja Hinderer die Methode des Elektrospinnens.

Unter Elektrospinnen versteht man die Herstellung von meist sehr dünnen Fasern aus Polymerlösungen durch die Behandlung in einem elektrischen Feld. Die Polymerlösung wird an einer Elektrode in ein elektrisches Feld dosiert und von der anderen Elektrode angezogen und beschleunigt. Dabei vollzieht sich ein komplexer Prozess, in dessen Verlauf die Polymermischung in kleine und kleinste Fasern und Gespinste aufgespalten wird, die sich auf der Gegenelektrode als Vlies ablagern. Der Durchmesser der resultierenden Fasern ist im Schnitt kleiner als 1.000 Nanometern. Ein menschliches Haar misst rund 80.000 Nanometer.

Um die Eigenschaften des Materials weiter denen natürlicher Herzklappen anzugleichen, habe Svenja Hinderer zusätzlich Proteoglykane versponnen, die unter anderem für die Wasserspeicherfähigkeit des Herzklappengewebes entscheidend sind. Wichtig sei es gewesen, erklärt die Wissenschaftlerin, sicherzustellen, dass die empfindlichen, das Transplantat besiedelnden Proteine ihre Funktion nicht verlieren. Am Ende ihrer Versuche gelang es Svenja Hinderer eine Struktur herzustellen, die vom Aufbau (morphologisch) der natürlichen extrazellulären Matrix der Herzklappe sehr ähnelte.

In einem Bioreaktor, der Wasser – wie das Herz Blut – durch die Klappen pumpt, simulierte die Chemikerin die physiologischen Drücke des Herzens – mit zufriedenstellenden Resultaten: Das Material hielt ihnen stand. Die Bioreaktorsimulation habe auf beeindruckende Weise dokumentiert, wie das Material als Herzklappenersatz die Funktion des Öffnens und Schließens übernehme.

Ein nächster Test erfolgte in einem von einer Ingenieursstudentin in ihrem Team entwickelten Bioreaktor, in dem sie das elektrogesponnene Material zusammen mit menschlichen Zellen kultivieren konnte. Svenja Hinderer: „Aufgrund der mechanischen Reize im Reaktor – sie waren denen im menschlichen Organismus nachempfunden – begannen die Zellen nach bereits sechs Tagen, elastische Fasern zu bilden.“ Das im Bioreaktor gereifte Gewebe haben die gleichen Strukturen aufgewiesen wie eine sich natürlich entwickelnde embryonale Herzklappe.

Elastische Fasern verleihen Geweben wie Haut, Blutgefäßen oder eben Herzklappen ihre Widerstandsfähigkeit und Elastizität. Sind sie einmal zerstört, ist der menschliche Organismus nicht in der Lage, sie von sich aus zu regenerieren oder zu erneuern. Sie werden nur während der Embryonalentwicklung und in den ersten Jahren nach der Geburt gebildet. Die künstliche Herzklappe nach dem Vorbild der Natur von Dr. Svenja Hinderer kann helfen, irreversible Schäden gut zu beheben:

Das stabile und zugleich elastische polymerbasierte Trägersubstrat ist biokompatibel und sterilisierbar – und damit für medizinische Anwendungen hervorragend geeignet. Ziel sei es nun, ein „zellfreies Medizinprodukt zu entwickeln, das erst nach dem Einsetzen in den Patienten von Zellen besiedelt wird“. Dazu erforscht Hinderer, die seit Juli 2015 die Gruppe „Biomaterialien, Bioreaktoren und Bioimaging“ am Fraunhofer IGB leitet, wie die Trägersubstrate mit weiteren spezifischen Proteinen modifiziert werden können, um gezielt Stammzellen anzulocken.

Weitere Plan: Während die Zellen das Material besiedeln und eine neue Herzklappe mit ihrer eigenen Matrix bilden, soll das polymere Grundgerüst später im Körper abgebaut werden. Dadurch hat es das Potenzial, im Kinderherzen mitzuwachsen. Bis es jedoch soweit ist, wird sich die künstliche Herzklappe zunächst im Tiermodell an Schweinen beweisen müssen.

Autor: Guido Deußing (guido.deussing@pressetextkom.de)

Weiterführende Informationen