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Medizintechnik

Selbstauflösender Herzschrittmacher

Illustration des transienten Schrittmachers auf dem Herzen. (Bild: Northwestern University/George Washington University)

Kein erneuter Eingriff nötig: Wenn das Herz nur vorübergehend einen Taktgeber braucht, könnten Patienten bald von einem Herzschrittmacher profitieren, dessen Materialien nach dem Einsatz vom Körper vollständig abgebaut werden. Wie die Entwickler berichten, benötigt das Implantat auch keine problematischen Anschlüsse oder Batterien – es wird drahtlos durch ein externes Gerät mit Energie versorgt. In Tierversuchen hat der transiente Herzschrittmacher bereits seine Funktionalität und Abbaubarkeit unter Beweis gestellt.

Normalerweise sorgt das Herz selbst für seinen rhythmischen Schlag – der Sinusknoten gibt elektrische Impulse ab und sorgt damit für die Muskelkontraktionen. Doch bei manchen Menschen ist dieses System gestört – das Pumporgan läuft gleichsam nicht rund und medizinisches Eingreifen wird nötig: Um schwere Herzrhythmusstörungen zu behandeln, kommt ein künstlicher Taktgeber zum Einsatz – ein Herzschrittmacher. Doch in vielen Fällen ist nur eine überbrückende Behandlung notwendig. „Manche Patienten brauchen nur vorübergehend einen Herzschrittmacher, etwa nach einer Operation am offenen Herzen, einem Herzinfarkt oder einer Medikamentenüberdosis“, sagt Rishi Arora von der Northwestern University in Evanston. Nachdem sich das Herz stabilisiert hat, kann das Schrittmachersystem dann wieder entfernt werden.

Bisher problematische Überbrückungsverfahren

Doch die derzeitigen Standardmethoden zur vorübergehenden Herzunterstützung sind mit Risiken und unangenehmen Nebenwirkungen für den Patienten verbunden. Chirurgen nähen dazu Schrittmacherelektroden auf den Herzmuskel auf. Sie sind mit Drähten verbunden, die an der Vorderseite der Brust des Patienten austreten und an eine externe Schrittmacherbox angeschlossen sind, die für die Stromimpulse sorgt. Wenn der temporäre Schrittmacher nicht mehr benötigt wird, werden die Elektroden wieder entfernt. Bei diesem Verfahren besteht die Gefahr, dass Verbindungen verrutschen, Infektionen entstehen sowie Gewebeschäden und Blutungen beim Entfernen der Elektroden auftreten. Zudem ist es für die Patienten unangenehm und beängstigend, während der Behandlung „verdrahtet“ zu sein. Vor diesem Hintergrund sind Arora und seine Kollegen auf die Idee gekommen, einen implantierbaren Herzschrittmacher für Überbrückungszwecke zu entwickeln, der nach seiner Funktion von selbst wieder verschwindet sowie keine Anschlüsse benötigt.

Der Clou ihres Konzepts ist dabei, dass alle Komponenten des Schrittmachers aus biokompatiblen Materialien bestehen, die nach einer bestimmten Zeit auf natürliche Weise vom Körper aufgelöst werden und keine problematischen Abbauprodukte hinterlassen. Es handelt sich beim Trägermaterial des Geräts um plastikartige Biopolymere, die auch zuvor schon in der Medizin eingesetzt wurden und unter anderem zu organischen Säuren abgebaut werden. Auch die teilweise siliziumhaltigen Anteile des biologisch abbaubaren Herzschrittmachers, die für seine elektronischen Funktionen sorgen, zerfallen in völlig harmlose Substanzen, berichten die Wissenschaftler. „Wir bauen diese Geräte aus verschiedenen Arten von sicheren, bioresorbierbaren Materialien“, sagt Co-Autor John Rogers. Indem die Wissenschaftler die Zusammensetzung und Dicke der Materialien im Gerät variieren, können sie genau steuern, wie lange es funktionsfähig bleibt, bevor es sich im Zeitraum von Wochen völlig auflöst. „Wir gewährleisten dabei einen stabilen Betrieb über einen Zeitraum, der jeweils etwas länger ist als klinisch notwendig“, erklärt Rogers.

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Raffiniert-vergängliche Medizintechnik

Das vollständig implantierbare Gerät ist hauchdünn und wiegt weniger als ein halbes Gramm. Die Elektroden liegen weich und flexibel auf der Herzoberfläche, um die elektrischen Impulse abzugeben. Für die nötige Energie sogt dabei eine drahtlose Versorgung: Sie basiert auf der sogenannten resonanzinduktiven Kopplung, durch die man auch manchen Handys oder etwa elektrischen Zahnbürsten drahtlos Energie zuführen kann. Das winzige Gerät besitzt dazu ein Empfangsteil, das Energie aus einer Sendereinheit bezieht, die auf der Brust angebracht wird. „Anstatt Drähte zu verwenden, die Infektionen verursachen oder sich lösen können, lässt sich dieses System komplett implantieren und von außen aktivieren und steuern“, erklärt Arora.

Dass der transiente Herzschrittmacher auch hält, was er verspricht, konnten die Forscher bereits durch Tierversuche bestätigen: Der Prototyp konnte erfolgreich die Herzen von Mäusen, Ratten, Kaninchen und Hunden stimulieren und wurde innerhalb von drei Monaten nach der Implantation vollständig abgebaut. „Unser System überwindet die Hauptnachteile traditioneller temporärer Verfahren und bieten damit mehr Sicherheit, Potenzial für Kosteneinsparungen sowie Erleichterungen für die Patienten. Diese Art von Gerät könnte somit die Zukunft der temporären Schrittmachertechnologie darstellen“, resümiert Rogers.

Abschließend hebt Co-Autor Igor Efimov von der George Washington University in Washington DC auch das weitreichendere Potenzial von bioresorbierbarer Medizintechnik hervor: „Die abbaubaren Materialien, die dieser Technologie zugrunde liegen, machen es möglich, eine ganze Reihe von diagnostischen und therapeutischen transienten Geräten zu schaffen, die der Behandlung und Überwachung von Erkrankungen dienen könnten. Es eröffnet sich damit ein neues Kapitel in der Medizin und biomedizinischen Forschung“, ist Efimov überzeugt.

Quelle: Northwestern University, Fachartikel: Nature Biotechnology, doi: 10.1038/s41587-021-00948-x
http://dx.doi.org/10.1038/s41587-021-00948-x

 

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