Ein künstliches Herz

Je nachdem, ob das Teilkunstherz die linke, rechte oder beide Herzkammern unterstützen soll, führt es die Bezeichnung LVAD, RVAD oder BVAD (siehe Kasten „Mechanische Pumpen für schwache Herzen“ auf Seite 25). Die „Standzeit“ der Zusatzpumpen zur Entlastung einer oder beider Herzkammern ist inzwischen so gut, dass viele Patienten mit schwachem Herzen damit Jahre oder gar Jahrzehnte lang leben können. Bei anderen dient es nur zur Überbrückung der Wartezeit bis zu einer Herztransplantation.

Bei allen Kunstherz-Varianten gab es während der Entwicklung etliche Misserfolge. Die Liste der möglichen medizinischen Nebenwirkungen umfasst unter anderem Blutgerinnsel, Embolien und Infektionen. Ein weiteres Problem sind Blutverdünner. „Wenn man zu wenig davon gibt, bilden sich im Kunstherz Gerinnsel“, sagt Ruhparwar. Diese können das Kunstherz verlassen und einen Schlaganfall auslösen. Wenn man andererseits zu hoch dosiert, können spontane Blutungen auftreten, auch im Gehirn. Riskant sind außerdem die Zuleitungen von außen: „Das Kabel, das aus dem Körper ragt, ist eine Eintrittspforte für Keime“, sagt der Mediziner. „Die können bis zum Herzen gelangen oder die Entstehung von Gerinnseln begünstigen.“

Das Herz ist keineswegs nur eine simple mechanische Pumpe, sondern erbringt über die Lebensjahre hinweg Höchstleistungen. Daher war es nicht einfach, ein kleines implantierbares Gerät zu entwickeln, das sich mit einem natürlichen Herz messen kann: Es muss pro Minute mindestens fünf Liter Blut durch den Körper pumpen – das ergibt in jeder Stunde 300 Liter und jährlich über 2,5 Millionen Liter. Diesen Blutfluss befördert das Herz mit 112.000 Schlägen pro Tag. Bei einem 80-Jährigen summiert sich das auf 210 Millionen Liter, die im Laufe des Lebens durch seinen Kreislauf geströmt sind – das entspricht dem Fassungsvermögen von 7000 Tanklastern.

Neben der gewaltigen Pumpleistung müssen die Werkstoffe eines Kunstherzens biokompatibel sein, das heißt sie dürfen nicht vom menschlichen Körpergewebe abgestoßen werden. Das gilt vor allem an der Innenseite, wo das Kunstherz mit dem Blut in Kontakt kommt. Zudem muss es weitgehend verschleißfrei arbeiten und sich per Kabel mit Energie versorgen lassen.

„Nach Ende der 1960er-Jahre geschah lange Zeit nichts“, bedauert Herzchirurg Ruhparwar. Den nächsten Prototyp entwickelte in den USA der Mediziningenieur Robert Jarvik. An der University of Utah wurde sein Kunstherz „Jarvik-7“ am 2. Dezember 1982 einem Zahnarzt im Ruhestand eingesetzt. Er überlebte damit 112 Tage, der nächste Patient wenig später sogar 620 Tage. Doch eines wurde klar: Die Geräte waren zu groß und zu schwer, und sie neigten zu mechanischem Versagen.

Höchstleistungen im Brustkorb

Auf der Grundlage von Jarvik-7 entwickelte die Firma Syncardia im texanischen Tuscon ein verbessertes totales Kunstherz. 2004 erhielt es in den USA die Zulassung als Überbrückungshilfe. Es war zwar lebenserhaltend, aber buchstäblich eine schwere Bürde. Patienten müssen auch bei dem neueren Syncardia-Gerät einen sechs Kilogramm schweren Behälter mit sich herumschleppen, in dem ein lärmender Kompressor untergebracht ist. Zwei Schläuche führen die Druckluft durch die Bauchdecke zu den beiden pneumatischen Pumpen.

Ruhparwar hat damit Erfahrungen gesammelt. „Früher brauchte man zwei Personen, um die Zusatzgeräte hinter dem Patienten herzuschieben“, berichtet er. „Das aktuelle Syncardia-Modell ist deutlich kleiner geworden, der Patient kann es nun immerhin selbst mit sich ziehen.“ Doch es ist weiterhin ein lärmendes pneumatisches System mit zwei Druckluftschläuchen. Da erstaunt es nicht, dass das Kunstherz aus Texas zwar weiterhin zugelassen ist, aber kaum noch implantiert wird.

Elektrik statt Pneumatik

Alternativen, die ohne Luftdruck funktionieren, waren also dringend gefragt. Dafür hatten die Ingenieure zwei Ideen: eine elektrische und eine magnetische Technologie. 2008 kündigte Alain Carpentier vom Hôpital Européen Georges-Pompidou in Paris ein totales Kunstherz eines neuen Typs an – das Resultat einer 30-jährigen Entwicklung durch den Herzchirurgen. Die Firma Carmat, an der Carpentier beteiligt ist, entwickelte seinen Prototyp so weit, dass er Ende 2013 erstmals einem 75-jährigen Herzpatienten eingesetzt werden konnte, der damit 75 Tage überlebte.

Die Carmat-Pumpe ist gespickt mit Sensoren und besitzt eine künstliche Haut aus biosynthetischen Materialien. Das Kunstorgan wiegt 900 Gramm – etwa dreimal so viel wie ein natürliches Herz. Dazu kommen zwei externe, über Kabel verbundene Lithium-Ionen-Batterien, die der Patient am Körper tragen muss. Entscheidend am Kunstherz aus Paris ist aber seine neuartige Technik: Sie funktioniert nicht pneumatisch, sondern elektrisch. Den Körper verlässt keine Druck-, sondern eine Stromleitung. Die Carmat-Pumpe besitzt zwei Kammern, die durch eine bewegliche Membran voneinander getrennt sind. Eine Kammer enthält ein Hydrauliköl, durch die andere fließt das Blut. Die Membran wird per Luftdruck von einem Elektromotor hin und her geschoben. Je nach Bewegungsrichtung wird das Blut dabei in die Aorta gepumpt oder aus der anderen Richtung angesaugt. Damit imitiert das Gerät den menschlichen Puls, es ist im Fachjargon „pulsatil“.

Sensoren messen laufend den Blutdruck, als Reaktion darauf steuert eine Software den Blutfluss. „Das Kunstherz funktioniert ähnlich wie ein menschliches Herz“, erklärt Stéphane Piat, Geschäftsführerin von Carmat. „Wenn der Patient geht, erhöht sich der Blutfluss, wenn er ruht, wird der Blutfluss auf ein stabiles Niveau gesenkt.“

Nach mehrjährigen Versuchsreihen erteilte die EU am 22. Dezember 2020 die Marktzulassung. In Deutschland implantierten Herzchirurgen die neuen Carmat-Kunstherzen bis Mitte Oktober bereits drei Mal, zuerst im August 2021. „Unser Patient litt an einer schweren Schwäche beider Herzkammern“, berichtet der Herzchirurg Assad Haneya vom Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel. „Sofort nach Aktivierung des Systems hat sich sein Kreislauf deutlich stabilisiert“, sagt sein Kollege, der Herzchirurg Bernd Panholzer. „Das Kunstherz läuft stabil.“

Das Carmat-System erzeugt – wie ein echtes Herz – einen pulsierenden Blutfluss und passt sich den Bedürfnissen des Patienten durch einen Selbstregulationsmechanismus an. „Wir können sogar auf die Gabe hochdosierter Blutverdünner verzichten“, so Panholzer.

Aktuell ruhen viele Hoffnungen auf dem elektrisch gesteuerten Carmat Kunstherz, doch auch die magnetische Konkurrenz ist weit fortgeschritten. Das gilt für einen neuen totalen Herzersatz genau wie für eine LVAD-Pumphilfe für die linke Herzkammer. Seit 2001 entwickelt Daniel Timms eine Blutpumpe, die die klassische Idee eines pumpenden Herzens auf den Kopf stellt.

Der Mediziningenieur aus dem australischen Brisbane versuchte erst gar nicht, das menschliche Herz zu imitieren. Vielmehr stellte er die Leistung der natürlichen Herzpumpe technisch dar. Anders als bei anderen Kunstherzen verzichtete er auf Kunststoffe und konstruierte seinen Prototyp aus dem Metall Titan. Anstelle von Luftdruck und Schläuchen setzt er auf einen elektromagnetischen Motor. Und statt einer pulsierenden Strömung, wie sie vom sich periodisch zusammenziehenden Herzmuskel getrieben wird, soll Timms Gerät einen konstanten Blutstrom erzeugen.

Das Blut wird in eine etwa faustgroße Kammer geleitet. Darin rotiert eine Scheibe, auf die winzige Flügel montiert sind. Bei schneller Drehung treibt der Propeller gleich einer Zentrifuge das Blut in die Lunge und den Rest des Körpers. Timms erkannte schnell, dass die Drehscheibe nicht zu nah an die Gefäßwände geraten durfte. Sonst würden sich darunter Strömungswirbel bilden, in denen Blutzellen zusammenbacken und ausflocken könnten – eine mögliche Ursache für Blutgerinnsel und Schlaganfälle.

Technik aus dem Magnetzug

Um sein Konzept zu realisieren, kontaktierte Timms einen japanischen Forscher, der an magnetischen Hochgeschwindigkeitszügen arbeitete. Getragen von Magnetfeldern rasen diese Maglev-Vehikel („magnetic levitation“) berührungslos dahin. Die beiden Forscher kamen zu dem Schluss, dass eine rein magnetische Lageregelung das Wandproblem lösen könnte. Magnetfelder würden den Propeller von den Wänden der Herzkammer fernhalten, sodass das Blut ungehindert an der rotierenden Scheibe vorbeifließen könnte. Zusätzlicher Vorteil: Das simple Design mit nur einem beweglichen Element macht das Maglev-Herz weitgehend verschleißfrei, da sich keine beweglichen Teile berühren.

Ein Herz aus Titan

Das Kunstherz passt in eine Hand und wiegt mit 650 Gramm etwas mehr als doppelt so viel wie das Herz eines Erwachsenen. Doch es ist klein genug, um auch in einen Kinderkörper implantierbar zu sein. Die Herzschale ist aus Titan gefertigt, das nicht korrodiert und fast nie eine Immunreaktion auslöst. Dennoch müssen die Patienten auch beim Maglev-Kunstherz ein vier Kilogramm schweres Paket mit sich herumtragen, das die Elektronik sowie zwei wiederaufladbare Batterien enthält.

Inzwischen ist dieses Konzept, das in der von Daniel Timms 2008 mitgegründeten Firma Bivacor in Houston und Brisbane weiterentwickelt wurde, reif für den klinischen Einsatz. Sein revolutionärer Charme liegt in der Einfachheit: Es ist ein totales Kunstherz mit nur einer Kammer, ohne Herzklappen und ohne Puls, mit einer rotierenden Scheibe als einziger beweglichen Komponente. Dieser Kreisel schwebt im Blut, das durch die Kammer strömt – und wird allein von Magnetfeldern gehalten.

Auf der Scheibe sind kleine Elemente angebracht: auf der Vorderseite größere Flügel, die das Blut mit höherem Druck in den Körper bringen, auf der Rückseite kleinere Flügel, um Blut bei niedrigerem Druck in die Lunge zu pumpen. Jede Seite kann bis zu zwölf Liter pro Minute pumpen: genug für Patienten, die etwa leichte Gymnastik betreiben. Zugleich reinigt das Blut, das die Kreiselscheibe direkt umströmt, das Gehäuse und sorgt dafür, dass es keine Ecken gibt, wo sich Blut stauen und gefährliche Gerinnsel entstehen könnten.

Doch wie lässt sich so eine freischwebende, Tag und Nacht rotierende Kreiselpumpe auf Millisekunden genau steuern? Wie verträgt der menschliche Körper einen konstanten pulsfreien Blutkreislauf? Schon im Normalbetrieb rotiert die Drehscheibe 1600 bis 2700 Mal pro Minute. Wenn der Patient geht, Treppen steigt, springt oder turnt, treten physikalische Kräfte auf, die den Rotor beeinflussen. Jeder Kreisel reagiert, auch wenn er in Blut schwimmt, auf eine äußere Kraft mit einem Drehmoment, das ihn um seine Drehachse präzessieren lässt: Seine Drehachse variiert. Das Magnetlager muss daher Bewegung und Position laufend kompensieren – nicht nur, um die rotierende Scheibe räumlich zu stabilisieren, sondern auch, um zu verhindern, dass sie an die Gefäßwände stößt. Denn das könnte das Gerät beschädigen und Blutzellen zerstören.

„Um das auszuschließen, stellen wir sicher, dass in unserem Bivocar-Herz immer genügend Abstand herrscht zwischen dem schwebenden Rotor und den Wänden des Gefäßes“, erläutert Daniel Timms. Das Magnetfeld sorge stets für Zwischenräume von mindestens 0,24 Millimetern. „Das ist 20 Mal so groß wie eine Blutzelle.“ Die Drehscheibe lässt sich außerdem entlang ihrer Drehachse hin und her schieben. „Das verändert die Blutmenge, die zwischen der rechten und linken Pumpenseite bewegt wird und ist sehr nützlich für schnelle Anpassungen, etwa wenn der Patient rasch aufsteht“, sagt Timms.

Der australische Erfinder schildert, wie es gelingt, die Lage der Drehscheibe in Echtzeit zu steuern. Winzige Sensoren senden laufend schwache Magnetfelder aus, die mehrfach pro Sekunde die exakte räumliche Position des Rotors bestimmen. Gerät der Rotor aus seiner Gleichgewichtslage, schickt das Kontrollsystem mehr Strom durch die elektromagnetischen Spulen mehrerer Aktuatoren. Sie verstärken sofort das Magnetfeld und halten die Scheibe so im Gleichgewicht.

Das Kunstherz, das bisher nur an Tieren getestet wurde, soll demnächst für Menschen zugelassen werden, verspricht die Firma Bivacor. Als Zusatzpumpe zur Unterstützung der Herzfunktion ist es längst in der klinischen Praxis angekommen. „Heartmate 3 LVAD“ basiert auf der Maglev-Technologie von Daniel Timms, hat also ebenfalls einen magnetisch gestützten Rotor, der frei in der Blutbahn des Geräts schwebt. Anders als das Maglev-Gerät rotiert im Heartmate 3 die Zentrifugenscheibe bis zu 6000 Mal um die eigene Achse und kann bis zu zehn Liter Blut pro Minute pumpen. Das ähnelt einem gesunden Menschenherz, das im Ruhezustand fünf bis sechs Liter Blut transportiert. Die Technik wurde als LVAD-Teilkunstherz modifiziert und von der Medizintechnikfirma Abbott weiterentwickelt.

Die modernste Zusatzpumpe

Laut dem Deutschen Herzzentrum Berlin ist das Heartmate 3 „das modernste Herzunterstützungssystem auf dem Markt“. An der Berliner Klinik wurde es 2014 erstmals einem Patienten eingesetzt. Wie beim Bivacor-Herz führt ein elektrisches Kabel, die sogenannte Driveline, aus dem Körper zu einer Kontrolleinheit. Tagsüber wird die Magnetpumpe von Batterien versorgt, die der Patient in einem kleinen Rucksack oder einer kleinen Umhängetasche bei sich trägt. Die Batterien halten 17 Stunden lang und lassen sich über Nacht wieder aufladen.

Auch beim Heartmate 3 kann man die Rotation der Scheibe rhythmisch variieren. Das erzeugt eine Art Pseudopuls. Der ist zwar nicht ganz so schnell wie beim normalen Herzen, aber er spült das Gerät, sodass sich in den sogenannten Totwasserzonen weniger Gerinnsel bilden können. „Das ist wahrscheinlich der Grund, dass bei diesem Kunstherz deutlich weniger Schlaganfälle oder Thrombosen auftreten“, meint der Essener Herz-Experte Arjang Ruhparwar. Und das ermöglicht den Einsatz solcher Teilkunstherzen nicht nur als Überbrückungshilfe, sondern auch als Dauertherapie. Manche Patienten tragen den Vorgänger Heartmate 2 bereits über ein Jahrzehnt, berichtet Ruhparwar.

Allerdings haben bislang alle Kunstherzen ein Manko: die elektrische Kabelverbindung aus dem Körper nach draußen. Für die Mediziner ist es ein Wunschtraum, künftig auf diese potenzielle Brutstätte für Infektionen verzichten zu können. Wenn das einmal möglich sein wird, erwartet Ruhparwar Überlebenszeiten von Patienten mit künstlichem Herzen, wie er sie von Patienten mit Spenderherz kennt. „Dann hätten wir eine echte Alternative zu Herztransplantationen.“

Doch so weit ist es noch nicht, obwohl Forscher wie Daniel Timms bereits an Geräten arbeiten, deren Batterien sich im Körper drahtlos von außen aufladen lassen.