Das Herz- Ass von Bern - wissenschaft.de
Anzeige
Anzeige

Gesundheit+Medizin Technik+Digitales

Das Herz- Ass von Bern

Eine miniaturisierte Herz-Lungen-Maschine ermöglicht schonende Herzoperationen. Die Patienten können sich so schneller von dem schweren Eingriff erholen.

der stärkste Bizeps ist ein Waschlappen gegenüber dem menschlichen Herzen, was die Ausdauer betrifft. Die Blutpumpe unter dem Brustkorb ist eine Kraftmaschine ohnegleichen. Rund drei Milliarden Mal schlägt das Herz während eines Menschenlebens und pumpt in dieser Zeit etwa 250 Millionen Liter Blut durch den Körper – ohne je zu pausieren. Doch manchmal versagt das Herz vorzeitig – beispielsweise weil sich die Herzkranzgefäße verengen und den Herzmuskel nicht mehr genügend mit sauerstoffreichem Blut versorgen, wodurch es schließlich zum Infarkt kommt. Dann muss oft ein operativer Eingriff am offenen Organ erfolgen. So geschickt es die Herzchirurgen auch anstellen – eine solche Operation bedeutet stets einen enormen Stress für das bereits geschwächte Herz und den Kreislauf. Denn während des Eingriffs muss eine Maschine die Aufgabe des angeschlagenen Herzens übernehmen. Die Herz- Lungen-Maschine leitet das Blut durch den Körper, damit die Organe funktionsfähig bleiben. Zu ihrer Aufgabe gehört überdies das Anreichern des Bluts mit Sauerstoff, was normalerweise die Lunge erledigt. Diese bleibt während des Eingriffs außen vor, da sich der komplizierte Blutfluss durch den Lungenkreislauf maschinell nicht präzise genug regeln ließe. Viele Patienten erholen sich von dieser Tortur nur mühsam.

Das könnte in Zukunft besser werden: Denn Schweizer Medizinern und Ingenieuren ist es mit einer weltweit einzigartigen neuen Herz-Lungen-Maschine gelungen, die Risiken bei Herzoperationen deutlich zu verringern. Patienten, die während des Eingriffs an das neue Gerät angeschlossen waren, erholten sich danach deutlich schneller, litten weniger unter Nebenwirkungen, und ihr Herz ließ sich einfacher und rascher wieder zum Schlagen bringen.

Entzündung durch Kunststoffe

Konventionelle Geräte sind große Aggregate mit den Abmessungen einer stattlichen Kommode. Meist sind darin fünf Pumpen im Einsatz. Bevor das Blut nach der Auffrischung mit Sauerstoff in der künstlichen Lunge erstmals wieder in den Körperkreislauf des Patienten fließt, muss es in Schläuchen und Filtern an einer Oberfläche entlang strömen, die insgesamt so groß ist wie ein Fußballfeld. Dabei kommt es mit diversen Kunststoffen in Kontakt, auf die das Blut abwehrend reagiert. Die Folge sind oft Entzündungen. Wenig vorteilhaft für den Patienten ist außerdem, dass die Schläuche und das Fließsystem der Maschine vor dem Einsatz mit bis zu zwei Litern einer wasserhaltigen Infusionslösung gefüllt werden müssen, damit sich darin keine Luftblasen befinden. Denn die könnten in den Blutkreislauf des Patienten gelangen und einen Hirnschlag auslösen. Allerdings: Die Infusionslösung verdünnt das Blut, und es kann nicht mehr so viel Sauerstoff aufnehmen. Dadurch steigt die Gefahr von Spontanblutungen, und bei Menschen mit schwachen Nieren lagert sich nach der Operation Wasser im ganzen Körper ein.

Seit dem ersten erfolgreichen Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine 1953 haben die Mediziner ihre Operationstechnik am Herzen stetig weiterentwickelt – das Prinzip der Maschine wurde jedoch bis heute kaum verändert. Für die Herzchirurgen ist das unbefriedigend. Thierry Carrel, Leiter der Universitätsklinik für Herz- und Gefäßchirurgie am Inselspital in Bern, stieß deshalb die Entwicklung einer verbesserten Herz-Lungen-Maschine an. „Uns störte es, dass die Operationen technisch häufig sehr gut verliefen, viele Patienten jedoch unter Nebenwirkungen oder Komplikationen litten“, berichtet Carrel. „ Diese waren nicht auf die Operation selbst zurückzuführen, sondern auf die Art und Weise, wie die Herz-Lungen-Maschine das Blut aufbereitete.“ Und die Nebenwirkungen sind oft heftig: „Eine konventionelle Herz-Lungen-Maschine transportiert das Blut mithilfe sogenannter Rollerpumpen, die es entlang der Fließrichtung walzen und zusammenpressen – und dadurch die Blutzellen beschädigen“, sagt der Berner Herzchirurg. „Und zuvor wird es in einem Reservoir gelagert, wo es mit Luft in Kontakt kommt.“ Das Reservoir ist nötig, weil beim Pumpen des Bluts aus den Herzkammern und aus dem Operationsfeld stets Luftbläschen mitgeführt werden. Im Reservoir entweichen sie nach oben. Dabei ist das Blut die ganze Zeit der Luft ausgesetzt. Damit es dabei nicht gerinnt, wird als Blutverdünner eine starke Dosis Heparin beigemischt – eine komplexe chemische Verbindung, die aus zwei speziellen Formen von Zucker-Molekülen besteht.

Anzeige

Die Mediziner um Thierry Carrel suchten neue Wege, um Nebenwirkungen beim Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine zu vermeiden. Die radikalste Option wäre, bei Operationen völlig auf das komplexe Gerät zu verzichten. Das ist möglich, falls das Herz nicht geöffnet werden muss – zum Beispiel bei manchen Bypass-Operationen: Wenn die an den Herzmuskel führenden Herzkranzgefäße verstopft sind und nur ein oder zwei Gefäße durch Teile aus der Beinvene ersetzt werden, ist ein Eingriff am schlagenden Herzen prinzipiell machbar. Dabei stabilisiert der Operateur den Herzmuskel an der Nahtstelle. Aber auch diese Stelle ist, während der Bypass genäht wird, leicht in Bewegung. Das Herz kann sich dabei verschieben, und Rhythmusstörungen können die Folge sein. Weil das Herz während der Operation weiter schlägt, dauert ein solcher Eingriff auch unter geschickter Hand sehr lange.

Carrel, der selbst schon bei schlagenden Herzen Bypässe setzte, äußert sich deshalb kritisch: „Bei den kleinen Gefäßen von weniger als 1,5 Millimeter Durchmesser war es für uns immer klar, dass die Nähte besser gelingen, wenn sich das Herz nicht bewegt.“ Daher konnte bislang auch keine Studie belegen, dass Bypass-Operationen am schlagenden Herzen die bessere Wahl gegenüber einem Eingriff mit der konventionellen Herz-Lungen-Maschine sind. „Wenn wir die Risiken der Nebenwirkungen minimieren wollen, dann müssen wir auch die Dauer der Narkose reduzieren“, betont Carrel.

Für die Berner Herzchirurgen und ihren Chef-Kardiotechniker Erich Gygax bestand deshalb der einzig sinnvolle Weg darin, das Prinzip der Herz-Lungen-Maschine zu optimieren. Inzwischen ist ihre miniaturisierte Maschine funktionsfähig. Sie ist zwar nicht die einzige Neuentwicklung dieser Art. Doch bei ihr ist am konsequentesten die Zahl jener Elemente reduziert, die die Mediziner für Nebenwirkungen verantwortlich machen. So ist anstelle von fünf Pumpen nur noch eine Pumpe im Einsatz. „Wir haben verschiedene Arten von Pumpen getestet und uns schließlich für eine Zentrifugalpumpe entschieden“, berichtet Gygax. Im Gegensatz zur vorwärts wälzenden Rollerpumpe führt sie das Blut mithilfe eines spiralförmigen Schneckengewindes durch einen Zylinder. Die Zentrifugalkraft lässt das Blut an der Innenwand des Zylinders entlangströmen, ohne es zu beschädigen. Kleine Zentrifugalpumpen erhalten auch Patienten mit Herzschwäche zur Unterstützung ihrer Herztätigkeit eingepflanzt. Die kleine Berner Herz-Lungen-Maschine mit nur einer einzigen Zentrifugalpumpe benötigt weniger Schläuche und ein viel kleineres Fließsystem als die konventionellen Geräte. Dadurch muss das Blut bloß noch über eine künstliche Oberfläche mit einem Viertel der Fläche fließen. Nur ein Viertel der bislang üblichen zwei Liter Infusionslösung und bloß halb so viel Heparin als Blutgerinnungshemmer sind notwendig. Auf ein Reservoir verzichten die Berner ganz. In dieser Hinsicht ist ihr miniaturisierter Herz-Kreislauf-Ersatz konkurrenzlos.

FÜR KURZE ZEIT SCHWINDLIG

„Wir wollen das Blut möglichst lange im Körper lassen, wo es eine biologische Umgebung hat“, erklärt Herzchirurg Thierry Carrel. Die Physiologie des Körperkreislaufs schuf dazu die Voraussetzung, sagt Kardiotechniker Gygax: „Das venöse System des Kreislaufs – jene Blutgefäße, die sauerstoffarmes Blut zum Herzen befördern – kann dreimal so viel Blut aufnehmen wie die arteriellen Gefäße, in die das Herz das mit Sauerstoff angereicherte Blut pumpt.“ Die Konsequenzen hat wohl jeder schon erlebt: Wem es nach einem zu schnellen Aufstehen für kurze Zeit schwindlig wird, der hat aufgrund der Schwerkraft zu viel Blut im venösen System, wodurch zu wenig sauerstoffhaltiges Blut das Gehirn erreicht.

Die Idee der Mediziner um Carrel: Die Venen im menschlichen Körper sollen während einer Herzoperation als natürliches Reservoir für das umgewälzte Blut dienen. Zuerst glaubte das Team am Berner Inselspital, das Fassungsvermögen der Venen müsse dazu durch Medikamente erhöht werden. „Doch wir fanden rasch heraus, dass bereits eine leichte Tieflagerung der Beine genügt, um die venösen Gefäße als Reservoir für das Blut nutzen zu können“, sagt Erich Gygax. Das Blut muss zudem kontrolliert der künstlichen Lunge zugeführt werden. Dazu steuert die Zentrifugalpumpe das venöse Blut aus der Hohlvene beim rechten Vorhof des Herzens so dosiert in die künstliche Lunge, dass ein leichter Rückstau entsteht. Der schafft den Vorratsspeicher in den Venen und bewirkt, dass der Herzmuskel und die Kammern stets mit Blut versorgt sind. An der Hohlvene kontrolliert eine Ultraschallsonde den Fluss, der bei Lufteintritt sofort unterbrochen würde. Die Zentrifugalpumpe hat genug Kapazität, um das Blut nach der Anreicherung mit Sauerstoff sofort über die Aorta in den arteriellen Kreislauf zurückzuführen. Bei einer herkömmlichen Herz-Lungen-Maschine verhindert eine der fünf Pumpen, dass das Herz während des Eingriffs wieder zu schlagen anfängt. Dazu lassen die Chirurgen eine kalte kalium- und magnesiumhaltige sogenannte Kardioplegielösung aus der Pumpe ins Herz strömen. Sie lähmt den natürlichen Schrittmacher im Herzen. Weil aber das Blut mitsamt der Lösung wieder weggeführt wird, müssen die Ärzte regelmäßig neues Lösungsmittel zuleiten. Bis zum Ende der Operation gelangt so bis zu ein Liter davon durch das Herz ins Blut des Patienten.

Bei der neuen Herz-Lungen-Maschine konnte Kardiotechniker Erich Gygax auf die Zusatzpumpe für die Kardioplegielösung verzichten. Denn ein leichter Rückstau sorgt für eine stete Durchblutung des Herzmuskels und verhindert so Schäden, die Sauerstoff-Radikale bei einem Kontakt mit Luft im Muskel verursachen können. Der Rückstau bewirkt zudem, dass die über die Herzkranzgefäße verabreichte Kardioplegielösung nicht aus dem Herzmuskel geschwemmt wird. „Anstelle von einem Liter brauchen wir nur ein Zehntel davon“, schwärmt Gygax, der eine spezielle Magnesiumsulfat-Kalium-Lösung entwickelt hat. Sie wirkt sofort: „ Das Herz erschlafft, und es kommt zum Herzstillstand“, erklärt Gygax. „Dank der acht Grad Celsius kühlen Lösung kommt das Herz praktisch ohne sauerstoffhaltiges Blut aus. Werden die Herzkranzgefäße nach der Operation wieder durchblutet, fängt das Herz bei 98 Prozent der Patienten spontan wieder im normalen Rhythmus zu schlagen an.“

Deutlich schnellere Genesung

Die Resultate einer ersten Studie an der Berner Universitätsklinik für Herz- und Gefäßchirurgie sprechen für die Mini-Herz-Lungen-Maschine. Sie belegen, dass das Gerät die hohen Erwartungen der Mediziner erfüllt. Der Vergleich von 427 Bypass-Patienten, die an einer herkömmlichen Maschine angeschlossen waren, mit 1372 Patienten, bei denen die neue Mini-Herz-Lungen-Maschine zum Einsatz kam, zeigt, dass die zweite Gruppe viel schneller auf künstliche Beatmung verzichten konnte. Die Patienten verließen im Schnitt einen halben Tag früher die Intensivstation und anderthalb Tage früher die Klinik. Außerdem litten sie um ein Drittel weniger an Vorhofflimmern. Und nach der Operation kam es deutlich seltener zu Bewusstseinsstörungen. Die mit der neuen Maschine operierten Patienten benötigten nur ein Zehntel so viele Bluttransfusionen, und nur bei acht Prozent von ihnen musste das Herz nach der Operation mit einem Defibrillator zum koordinierten Schlagen gebracht werden. Dagegen benötigten 23 Prozent der Patienten, die an der herkömmlichen Maschine angeschlossen waren, eine Defibrillation. Thierry Carrel sieht in der Mini-Herz-Lungen-Maschine „einen der wichtigsten Fortschritte der Herzchirurgie in den letzten zehn Jahren. Sie erlaubt uns, auch ältere Patienten mit einem minimalen Risiko zu operieren. Und der Verlauf nach der Operation gestaltet sich einfach, weil viele bislang häufige Nebenwirkungen entfallen.“ Auch junge europäische Herzchirurgen, die sich am renommierten Berner Inselspital weiterbildeten, sind angetan. Thierry Aymard aus dem französischen Lille überzeugt beim Berner Modell vor allem, „dass das Herz sofort nach der Operation wieder im richtigen Rhythmus zu schlagen beginnt“. Die Operation am durchbluteten Herzen erfordere zwar eine etwas aufwendigere Technik, die sei aber gerechtfertigt. Herzchirurg Martin Czerny aus Wien erstaunt die spontan einsetzende Herztätigkeit. Er weist auf die geringere Belastung der Patienten hin: „Wir müssen das Blut viel weniger verdünnen. Die starke Verdünnung mit der konventionellen Herz-Lungen-Maschine bewirkt, dass manche Patienten nach der Operation rund zehn Kilogramm schwerer sind, was für viele sehr belastend ist.“

In der Regel werden für Erneuerungen in der Medizin zehn Jahre Entwicklungszeit veranschlagt. Die Berner haben nur drei Jahre gebraucht. „Dieser schnelle Erfolg basiert darauf, dass hier Leute unabhängig von Hierarchien miteinander gesprochen und gehandelt haben“, betont Thierry Carrel. Kardiotechniker Erich Gygax ließ viele Anregungen und Vorschläge in sein Konzept einfließen und kombinierte sie mit seinen Ideen. Dafür wurde er von der Universität Bern mit dem Ehrendoktortitel ausgezeichnet. Doch den Verdienst beansprucht er nicht für sich allein: „Es müssen alle am gleichen Strick ziehen, sonst bringt man eine solche Entwicklung so schnell nicht zustande.“

Das Ziel: Einsatz am Unfallort

Unterdessen treiben die Berner Experten die Miniaturisierung der Maschine weiter voran. Ziel ist es, eine mobile, batteriebetriebene Herz-Lungen-Maschine zu entwickeln, mit der auch Notfallärzte das Herz eines Unfallopfers entlasten können. Chirurg Carrel betont: „Durch die rasche Wiederherstellung einer ausreichenden Kreislauffunktion nach einem Unfall ließen sich körperliche Schäden während eines Herzstillstands weitgehend ausschließen.“ ■

von Christian Bernhart

Radikale Vereinfachung

Bei einer herkömmlichen Herz-Lungen-Maschine (links) strömt das Blut aus dem rechten Vorhof in ein Reservoir, von wo es eine Rollerpumpe durch die künstliche Lunge zurück ins Herz befördert. Zwei weitere Pumpen sorgen dafür, dass die Herzkammer (Ventrikel) während der Operation blutleer bleibt. Sie setzen am Apex, der Herzspitze, und der Aortawurzel an. Eine vierte Rollerpumpe führt abgesaugtes Blut aus dem Operationsbereich weg ins Reservoir. Eine Kardioplegiepumpe versorgt das Herz mit einer Lösung, die das Organ ruhigstellt. Bei der Mini-Maschine aus Bern (rechts) wird nur eine einzige Zentrifugalpumpe benötigt. Sie führt das venöse Blut durch die künstliche Lunge zurück zum Herz. Ein Sauger mit Photozelle erkennt, ob Luft angesaugt wird und schaltet sich dann automatisch ab. Damit eine Vene als natürliches Blutreservoir dienen kann, muss der Patient während des Eingriffs hochgelagert werden.

Gut zu wissen: Das Herz

Medizinisch betrachtet ist das Herz ein Hohlmuskel, der hinter dem Brustbein liegt und in zwei Hälften geteilt ist. Die Aufgabe des rund 300 Gramm schweren Organs besteht darin, den Körper mit Blut zu versorgen, das in der Lunge mit lebenswichtigem Sauerstoff angereichert wurde. Im Austausch gegen das frische sauerstoffreiche Blut pumpt das Herz verbrauchtes sauerstoffarmes Blut zurück in die Lunge. Um diese Aufgabe zu erledigen, nimmt die rechte Herzhälfte das sauerstoffarme Blut über den rechten Vorhof auf, lässt es in die rechte Hauptkammer strömen und pumpt es von dort in die Lunge. Parallel dazu empfängt die linke Herzhälfte über den linken Vorhof Blut mit hohem Sauerstoffgehalt, das aus der Lunge eintrifft. Dieses Blut wird in die linke Hauptkammer eingelassen und von dort in den Körperkreislauf gepumpt. Für diese Aufgabe verfügt das Herz nicht nur über zwei Vorhöfe und zwei separate Kammern, sondern auch über vier Klappen, die sich öffnen und schließen und das Blut in die gewünschte Richtung leiten. Die insgesamt fünf bis sechs Liter Blut durchströmen in rund einer Minute einmal den gesamten Körper.

Kompakt

· Der neue maschinelle Herz-Ersatz benö- tigt viel weniger chemische Substanzen.

· Statt fünf Pumpen wälzt nur noch eine einzige das Blut des Patienten um.

· Nebenwirkungen wie Bewusstseinsstö- rungen nach der OP treten seltener auf.

Thierry Carrel

Der Herzchirurg, der seit 15 Jahren am Berner Inselspital operiert, gilt als der erfahrenste Schweizer Herzspezialist. Bereits mit 39 Jahren wurde der 1960 in Fribourg geborene Mediziner zum – bislang jüngsten – Direktor der Berner Universitätsklinik für Herzchirurgie ernannt. Außergewöhnlich war, dass er die Herzchirurgie sowohl für Kinder als auch für Erwachsene lehrte und im Operationssaal ausübte. Bern wurde durch ihn zum größten Herzzentrum der Schweiz. Die Herzchirurgie der Universität Basel, die er in den letzten Jahren ebenfalls betreute, ist mit Bern eine enge Kooperation eingegangen. Auch in der russischen Industriestadt Perm operiert Carrel mit seinem Team etwa zweimal im Jahr im städtischen Herzzentrum, das er aufzubauen half. Fit hält sich Carrel mit dem Rennrad. Außerdem schätzt er klassische Musik, insbesondere Gregorianische Choräle. Eine besondere Freundschaft verbindet ihn mit dem estnischen Komponisten Arvo Pärt. Dessen Werk „La Sindone“ („Das Grabtuch Christi“) wurde – im Beisein des Komponisten – vor vier Jahren kurz nach der Erstaufführung auch in Bern gespielt.

Anzeige

bild der wissenschaft | Aktuelles Heft

Anzeige

Aktueller Buchtipp

Sonderpublikation in Zusammenarbeit  mit der Baden-Württemberg Stiftung
Jetzt ist morgen
Wie Forscher aus dem Südwesten die digitale Zukunft gestalten

Wissenschaftslexikon

Kli|ma|geo|gra|phie  〈f. 19; unz.〉 = Klimageografie

Bron|to|sau|rus  〈m.; –, –ri|er; Zool.〉 riesiger Saurier aus der unteren Kreidezeit Nordamerikas [<grch. bronte ... mehr

Ra|ben|vo|gel  〈m. 5u; Zool.〉 Angehöriger einer Familie meist großer, kräftiger Singvögel mit z. T. ausgezeichnetem Lernvermögen, Allesfresser, die in Scharen manchmal schädlich werden (Dohle, Krähe, Elster, Häher, Kolkrabe): Corvidae

» im Lexikon stöbern
Anzeige
Anzeige