Mitten in Aachen, im ersten Stock des Helmholtz-Instituts der Technischen Hochschule, schlägt ein Herz aus Kunststoff: 100 Mal pro Minute. Es ist das erste in Deutschland entwickelte künstliche Herz, das samt Antrieb in den menschlichen Brustkorb implantiert werden kann und dort an der Stelle des natürlichen Herzens die Pumpfunktion komplett übernimmt. Väter der Blutpumpe sind die Aachener Ingenieure um Ulrich Steinseifer vom Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik im Helmholtz- Institut und Reiner Körfer, lange Jahre Ärztlicher Direktor des Herzzentrums Nordrhein-Westfalen in Bad Oeynhausen und seit 2009 Direktor der Klinik für Herzchirurgie in Essen.
Noch ist das Klacken der mechanischen Herzklappen nur im Labor zu hören. Doch in etwa vier Jahren soll das ReinHeart, benannt nach Körfer, erstmals einem schwer herzkranken Menschen eingesetzt werden. Anfang des Jahres 2009 pumpte es erstmals erfolgreich Blut im Körper eines Kalbes – für die getestete eine Stunde. Auch in drei weiteren Tests in einem Kalb Ende vergangenen Jahres hat sich das ReinHeart laut Steinseifer und Körfer bewährt.
PROFESSOR KÖRFERS TRAUM
„Mein Traum ist es – und ich hoffe, dass ich das noch erlebe –, ein Kunstherz als echte Alternative zur Herztransplantation zu entwickeln”, sagt der 67-jährige Körfer. In Deutschland warteten im Jahr 2009 laut der Stiftung Eurotransplant 920 Patienten auf ein Spenderherz. Nur 346 hatten das Glück, eines zu erhalten. Die Wartezeit kann ein bis zwei Jahre betragen, und nicht immer wird rechtzeitig ein Ersatzorgan gefunden. Die Wartenden sind schwerkranke Menschen, bei denen das Herz nicht mehr ausreichend Blut in die Gewebe und Organe pumpen kann, um diese mit Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Sie leiden an einer Herzinsuffizienz im Endstadium, die sich nicht durch kontraktionsfördernde Medikamente, Bypass-Operationen oder sonstige Therapien lindern lässt. „Die klinische Situation der Patienten verschlechtert sich so dramatisch, dass sie ohne Herztransplantation oder Kunstherz innerhalb kurzer Zeit versterben würden”, sagt Körfer.
Die Idee, das natürliche Herz zu entfernen und dafür ein Kunstherz in der Brust schlagen zu lassen, ist nicht neu. Erstmals wagte der Amerikaner Denton A. Cooley vom Texanischen Herzinstitut in Houston 1969 die Implantation einer solchen Pumpe. Der Patient überstand 64 Stunden mit dem Gerät, bis ein Spenderherz eintraf, verstarb aber anderthalb Tage nach der Herztransplantation an einer Lungenentzündung.
Derzeit ist in Europa das CardioWest der Firma SynCardia Systems in Tucson/Arizona das einzige zugelassene Kunstherz. Es soll die Zeit bis zu einer Herztransplantation überbrücken. Angetrieben wird das künstliche Herz über Druckluft, die ein Kompressor geräuschvoll auf einem kleinen Wägelchen außerhalb des Körpers erzeugt. Zwei Schläuche durchbohren die Bauchdecke des Patienten und verbinden die künstliche Pumpe im Brustkorb mit dem Antrieb – ein stetiger Quell neuer Infektionen. „Die Implantation eines CardioWest-Systems ist für bestimmte Patienten die einzige Maßnahme zur Lebensrettung, aber als pneumatisch angetriebenes System bietet es dem Patienten nur eine eingeschränkte Lebensqualität”, meint dazu Herzchirurg Roland Hetzer vom Deutschen Herzzentrum Berlin. Das erste und bisher einzige Kunstherz, dessen Antrieb ebenfalls im Brustkorb Platz findet, ist das AbioCor I der Firma Abiomed in Danvers/Massachusetts (USA). Keine Schläuche oder Drähte ragen mehr aus der Bauchdecke. Es ist etwa so groß wie eine Grapefruit und passt nur bei etwa 50 Prozent der Männer und 18 Prozent der Frauen in den Brustkorb. Ein implantierter Akku versorgt das Kunstherz mit Strom und wird kabellos über die Haut mittels elektromagnetischer Induktion nachgeladen. Friedhelm Beyersdorf, Ärztlicher Direktor der Abteilung Herz- und Gefäßchirurgie am Universitätsklinikum Freiburg, erinnert sich: „Als das AbioCor I 2001 herauskam, hat man gesagt, das wird der große Durchbruch. Das war es aber nicht, weil es zu viele Probleme mit Blutgerinnseln und Blutungen gab.” Die ersten 14 Patienten lebten mit dem Herzen aus Plastik und Titan durchschnittlich fünf Monate. Mit ihrem kranken Herzen wären sie voraussichtlich innerhalb eines Monats verstorben. Für solche sterbenskranken Patienten, denen auch eine Herzunterstützungspumpe (siehe Beiträge „Mein mechanisches Herz” sowie „Pumpe und Retorten- herz”) nicht mehr hilft, und die keine Herztransplantations-Kandidaten sind, weil sie beispielsweise zu alt oder an Krebs erkrankt sind, bekam das AbioCor I im September 2006 die Zulassung in den USA. Seither war es still um das AbioCor I – bis zum 15. Juni 2009, als der US-Chirurg Mark Anderson vom Robert Wood Johnson University Hospital in New Brunswick/New Jersey erstmals wieder einem Patienten ein AbioCor I einsetzte. Abiomed hatte in der Zwischenzeit die Software angepasst, die die Pumptätigkeit steuert, sowie den Verschleiß in der Pumpmechanik verringert, um die Langzeitstabilität zu erhöhen.
PROBLEM: GERINNUNGSHEMMER
Der 76-jährige Robert Joachim verstarb 71 Tage nach dem Eingriff. „Sein Tod hatte nichts mit der Pumpe zu tun, sie funktionierte von Anfang an sehr gut”, versichert Anderson. Joachim erhielt gerinnungshemmende Medikamente, um zu verhindern, dass sich beim Kontakt des Blutes mit der künstlichen Oberfläche ein Blutpfropf bildet. Daraufhin bekam er Blutungen, die eine Nierenschwäche, eine Lungenentzündung und schließlich eine Blutvergiftung nach sich zogen. Thorsten Sieß, technischer Vorstand bei Abiomed, ist überzeugt: „Die Software-Änderung hat ihren Zweck bei diesem Patienten erfüllt. Das AbioCor I ist nicht weiter verbesserungsbedürftig.” Man müsse aber noch weitere Patienten abwarten. Bis April 2010 (Stand der Recherche) hat allerdings kein weiterer Patient die Auswahlkriterien erfüllt, obwohl die Ärzte in zwei US-Kliniken intensiv nach geeigneten Kandidaten für das AbioCor I suchen.
Dass es noch besser geht, versuchen Körfer und Steinseifer derzeit zu beweisen. Auf den ersten Blick unterscheidet sich das ReinHeart (siehe Grafik rechts) nur wenig von dem AbioCor I. Die kleinere, aktuell neun mal neun Zentimeter große Entwicklung der Deutschen soll aber im Gegensatz zu dem Konkurrenzprodukt in den Brustkorb von 80 Prozent der Patienten passen. Die entscheidende Neuerung ist jedoch der elektromagnetische Linearantrieb. „Das war unsere Hauptleistung”, bestätigt Steinseifer. „Wir haben den besseren Antrieb, und er arbeitet nahezu verschleißfrei.” Bisher scheiterten Ingenieure bei dieser Art Antrieb für ein Kunstherz immer daran, dass die Herzen zu schwer wurden und zu viel Wärme erzeugten.
Die Aachener konnten den Antrieb des ReinHeart so weit optimieren, dass er nur noch rund ein Viertel der Energie braucht, um das Blut mit der nötigen Kraft durch die Adern zu pumpen. Aktuell sind es 12 Watt – so viel Energie, wie zwei Fahrradscheinwerfer benötigen. 200 Millionen „Herzschläge” lang, das entspricht etwa fünf Jahren, soll das ReinHeart insgesamt rund 13 Millionen Liter Blut befördern. Zum Vergleich: Das AbioCor I ist auf zwei Jahre ausgelegt, bevor es altersbedingt ausgetauscht werden muss.
Etwas weiter fortgeschritten in der Entwicklung eines voll implantierbaren Kunstherzens ist die französische Firma Carmat. Erste klinische Studien sind 2011 geplant. Bei Abiomed tüfteln die Ingenieure ebenfalls an einer um 30 Prozent kleineren Version des AbioCor I, dem AbioCor II, das in mehr Brustkörben Platz finden soll. Im Menschen soll es erst eingesetzt werden, wenn AbioCor I langfristig funktioniert und auf dem Markt akzeptiert wird. „Wie erfolgreich die neuen Systeme sind, wird sich erst im klinischen Alltag zeigen”, urteilt Beyersdorf. Für den Freiburger Chirurgen sind die größten Herausforderungen Blutungen, Gerinnsel-Bildung und Entzündungen, die man bei keinem Gerät bisher im Griff habe. Schließlich sind alle Vorversuche am gesunden Tier nicht vergleichbar mit dem Einsatz am Patienten, der nicht mehr jung ist und neben einem kranken Herzen meist noch andere vorgeschädigte Organe hat. Auch Thorsten Sieß von Abiomed musste nach der anfänglichen Euphorie der Siebziger- und Achtziger-Jahre feststellen: „Ein Organ zu ersetzen, ist gar nicht so einfach – der Teufel steckt im Detail”. ■
von Helmine Braitmaier
So funktioniert das ReinHeart
Die Pumpeinheit
Ähnlich wie ein natürliches Herz hat das ReinHeart zwei Kammern und vier mechanische Herzklappen. Das Kunstherz (1) wird auf der Einlass-Seite über Kunststoffmanschetten mit den beiden verbliebenen Vorhöfen des natürlichen Herzens und auf der Auslass-Seite mit der Lungenarterie sowie der Hauptschlagader verbunden. Die rechte Kammer pumpt sauerstoffarmes Blut aus dem Körper über die Lungenarterie in die Lunge. Dort wird das Blut mit Sauerstoff angereichert und fließt zurück in die linke Kammer, die es über die Hauptschlagader in den Körper zurückpumpt. Die Herzklappen aus Graphit mit einer pyrolytischen Kohlenstoffbeschichtung sorgen dafür, dass das Blut nur in diese eine Richtung strömen kann.
Zwischen den beiden Kammern sitzt der elektromagnetische Antrieb für die künstliche Pumpe (siehe Grafik linke Seite). Er ist durch zwei flexible Membranen aus Polyurethan von den Kammern abgeschirmt. Der Antrieb bewegt zwei Druckplatten, die abwechselnd mal die rechte und mal die linke Membran eindrücken. Die jeweils komprimierte Kammer befördert das Blut in den Lungen- oder Körperkreislauf.
Der elektromagnetische Linearantrieb
Eine bewegliche Stromspule lagert verschleißfrei in einem Magnetfeld. Sobald Strom durch ihre Drähte fließt, übt das Magnetfeld eine sogenannte Lorentz-Kraft auf die Spule aus, sodass sie sich entlang einer Achse hin- und herbewegt. Die Spule ist über eine Führungsstange fest mit den beiden Druckplatten verbunden (siehe Grafik linke Seite), die mit jeder Spulenbewegung abwechselnd die Membran der linken oder rechten Pumpkammer eindrücken. Die externe Steuereinheit (4) kontrolliert die Geschwindigkeit, mit der sich die Spule bewegt, und damit die Pumprate des künstlichen Herzens.
Die Stromversorgung
Strom beziehen Kunstherz (1) und interne Steuereinheit (2) kabellos über die Haut. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion ist genauso wie bei der elektrischen Zahnbürste. Ein im Brustkorb implantierter Akku (ebenfalls 2) ist mit einer Induktionsspule verbunden, die unter der Haut liegt. Darüber ist eine externe Induktionsspule (3) platziert, die über die Steuereinheit (4) mit zwei am Gürtel getragenen Akkus (5) verbunden ist.
Wissen hören: Das Thema „Herz” bewegt auch Audio-Redakteur Martin Vieweg. Sein Interview hören Sie unter „Podcasts” auf www.wissenschaft.de
Kompakt
· Vor 41 Jahren schlug erstmals ein echtes Kunstherz in der Brust eines Menschen. Die Bilanz seither ist ernüchternd: Nur ein einziges Modell hat sich in der Klinik bislang durchgesetzt.
· Aachener Ingenieure gehören zu den Forschungsteams, die sich derzeit einen Wettlauf um das erfolgreichste Kunstherz liefern, das vollständig implantierbar ist.
