Auf dem Weg zur optimalen Herzklappe

Wissenschaftler der Herzchirurgischen Klinik wollen Gewebe züchten, um eine künstliche Herzklappe ohne Nachteile zu bauen.

Dieses Kunststück hat noch niemand geschafft: mithilfe des sogenannten Tissue Engineering eine Herzklappe zu kreieren, die zwar auf einem künstlichen „Gerüst“ beruht, aber auf ihrer Oberfläche die biologischen Eigenschaften des Originals aufweist. Und damit auch so gut und zuverlässig wie das Vorbild aus dem Körper funktionieren könnte. Dr. Bassil Akra und seine Kollegen von der Herzchirurgischen Klinik und Poliklinik in Großhadern wollen dieses Ziel erreichen. Den ersten Prototypen des Grundgerüsts hat der passionierte Tüftler schon 2010 gegossen: „am Jahreswechsel mit der Silvester-Bleigieß-Methode.“ Selbst Hightech-Vorhaben können spielerisch beginnen.

Herzklappen haben nur eine einzige Funktion: zu sichern, dass kein Blut zurückströmt, nachdem es vom Herz in den Kreislauf gepumpt wurde. Doch bei manchen Menschen funktionieren sie nicht mehr ausreichend. Dann kann nur noch eine Ersatzklappe helfen, die Herzchirurgen heute in vielen Fällen minimalinvasiv mit einem Katheter einsetzen. Oder mit der „klassischen“ offenen Operation am Herzen. Zur Auswahl stehen zum einen künstliche Klappen. Sie können Blutgerinnsel verursachen, weshalb die Patienten dauerhaft blutgerinnungshemmende Medikamente nehmen müssen. Die Alternative: Klappen aus tierischem oder menschlichem Gewebe. Ihr Nachteil: Sie halten nur eine begrenzte Zeit lang, sodass die Patienten oft mehrfach operiert werden müssen. „Wir wollen eine optimale Herzklappe entwickeln“, sagt Ingenieur Akra. Eine Herzklappe, die die Vorteile beider Typen vereint und ihre Nachteile vermeidet. Um das zu erreichen, hat Akras Team in den vergangenen Jahren mehrere Innovationen in die Kunst der Gewebezüchtung von Herzklappen eingeführt. Denn „es kommt“, wie er sagt, „auf ganz viele Feinheiten an.“

Die Entstehung einer Herzklappe erfolgt in drei Phasen:

Chirurgen entnehmen dem Patienten eine Vene. Sie wird ‚gerade‘ in einer neu entwickelten, geschlossenen und sterilen Transportbox eingespannt. Sie muss also nicht mehr mechanisch belastet werden; das vermeidet größere Schäden im Gewebe. Im Labor isoliert ein gleichermaßen neues Gerät die Zellen vollautomatisch und sortiert sie: einerseits Bindegewebszellen (Fibroblasten), andererseits Endothelzellen. Endothelzellen bilden die äußerste Schicht der Gefäßwände, stehen also direkt in Kontakt zum fließenden Blut. Die Zellen werden einen Monat lang im Brutschrank vermehrt.

In einem neuen „Besiedlungsreaktor“ wird eine Prothese aus Polyurethan eingespannt. Sie hat exakt die Form und Größe einer Herzklappe und wird mit Zellen nach eigenem 3D-Verfahren der herzchirurgischen Forschergruppe besiedelt. Polyurethan ist ein bioverträglicher Kunststoff und zugelassen für den Einsatz in der Medizin. Der Reaktor sorgt dafür, dass die Zellen gleichmäßig und dreidimensional auf der Oberfläche des Gerüsts verteilt werden. Die homogene Zellschicht bekommt eine Woche Pause, um sich zu erholen. Dann folgt die 24-stündige Besiedlung mit den Endothelzellen. Und erneut eine Woche Pause.

Training im „Konditionierungsreaktor“. Diese Phase hat einen Grund: In der natürlichen Herzklappe halten die Fibroblasten die über ihnen liegenden Endothelzellen fest. Sonst würde das Tempo des Blutstroms die Endothelzellen mit sich reißen. Einmal aus ihrer natürlichen Umgebung isolierte Zellen verlieren offenbar diese Fähigkeit, müssen sie mithin neu lernen. Dazu werden sie in diesem neuen Reaktor zunächst einem sehr langsamen Blutstrom ausgesetzt. Das Tempo steigt dann sukzessive. Und der Konditionierungsreaktor erzeugt pulsierende Blutströme, wie durch Herzschläge generiert. Dauer des Trainings, um stabile Zellschichten auf der Polyurethan- Klappe zu bekommen: mindestens zwei Wochen.

Professor Dr. Christian Hagl
Der Leiter der Herzchirurgischen Klinik am Klinikum

Nach intensiver Forschung im Labor will Akras Team Versuche mit Schafen starten. Die Fragen: Wie gut arbeitet die Klappe im lebenden Organismus? Wie lange ist sie funktionstüchtig? Erzeugt sie unerwünschte Begleiterscheinungen? Und so weiter. Das Konstrukt kann auch den Schafen per Katheter implantiert werden. Sollten die Münchner Herzchirurgen unter Prof. Christian Hagl sie eines Tages klinisch testen, wäre dies nur bei Patienten mit ‚nicht‘ akut lebensbedrohlicher Klappenfehlfunktion möglich. Denn bis die geplanten Klappen alle drei Phasen ihrer Produktion durchlaufen, dauert es etwa drei Monate. „Akut gefährdete Patienten wären mit dieser Klappe also nicht behandelbar“, sagt Ingenieur Akra. Für sie hat sein Team schon ein anderes Verfahren im Sinn. Die Wissenschaftler wollen die Oberfläche des reinen Polyurethan-Gerüsts – mithin ‚ohne‘ Zellen – mit bestimmten Stoffen ausstatten. In das Herz eingesetzt, sollen diese Stoffe aus dem Blut Endothelzellen anlocken und zur Besiedlung des Gerüsts animieren. Die ersten entsprechenden Versuche mit Schafen, verspricht Akra, „werden spannend.“

Quelle: Jahresbericht 2013 (Text und Bildnachweis)