Elektrospinnverfahren
Künstliche Herzklappe nach dem Vorbild der Natur
Mit einem modifizierten Elektrospinnverfahren gelang es einen Herzklappenersatz herzustellen, dessen strukturelle, mechanische und biochemische Eigenschaften denen natürlicher Taschenklappen sehr nahe kommen – und der im Kinderherzen mitwachsen könnte.
Bisherige künstliche Herzklappen wachsen im Kind nicht mit, sodass sie regelmäßig und in anspruchsvollen Operationen ausgetauscht werden müssen. Auch bei Erwachsenen halten sie lediglich etwa 25 Jahre, verkalken oder erfordern die lebenslange Einnahme antikoagulierender Medikamente.
Eine alternative künstliche Herzklappe – aus einem elektrogesponnenen Hybridmaterial – entwickelte Svenja Hinderer in ihrer Doktorarbeit am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Dr. Katja Schenke-Layland, die am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB die Abteilung Zellsysteme leitet. Für ihre Doktorarbeit "Electrospinning – a suitable method to generate scaffolds for regenerative medicine applications" wurde Dr. Svenja Hinderer am 26. November 2015 durch Bundestagspräsident Norbert Lammert mit dem von der Körber-Stiftung verliehenen Deutschen Studienpreis ausgezeichnet.
"Um ein als Klappenersatz geeignetes Material zu entwickeln, das den Zellen eine möglichst physiologische Umgebung bietet, habe ich mich in meiner Doktorarbeit immer wieder am Vorbild der Natur orientiert", schildert Hinderer. Zunächst untersuchte die Chemikerin daher detailliert die extrazelluläre Matrix nativer Herzklappen hinsichtlich struktureller, mechanischer und biochemischer Beschaffenheit. Für die Herstellung von Trägersubstraten als Klappenmaterial entwickelte sie die Methode des Elektrospinnens weiter. Das auf dieser Grundlage hergestellte Trägersubstrat besteht aus einem Polymergemisch, einem UV-vernetzbaren Polyethylenglykol und Polylactid (PLA). "Um die Eigenschaften des Materials weiter denen nativer Herzklappen anzugleichen, habe ich zusätzlich Proteoglykane versponnen, die unter anderem für die Wasserspeicherfähigkeit des Herzklappengewebes entscheidend sind. Wichtig war, dass die empfindlichen Proteine dabei ihre Funktion nicht verlieren", erklärt Hinderer. Auf diese Weise gelang es ihr eine Struktur herzustellen, die morphologisch der nativen extrazellulären Matrix sehr ähnelt.
In einem Bioreaktor, der – wie das Herz Blut – Wasser durch die Klappen pumpt, simulierte Hinderer die physiologischen Drücke des Herzens, denen das Material hervorragend standhält. Videos der Bioreaktorsimulation zeigen beeindruckend, wie das Material als Herzklappenersatz die Funktion des Öffnens und Schließens übernimmt.
Ein nächster Test erfolgte in einem von einer Ingenieursstudentin in ihrem Team entwickelten Bioreaktor, in dem sie das elektrogesponnene Material zusammen mit menschlichen Zellen kultivieren konnte. "Aufgrund der speziellen mechanischen Reize im Reaktor, die denen im Körper nachempfunden waren, begannen die Zellen nach bereits sechs Tagen, elastische Fasern zu bilden. Das im Bioreaktor gereifte Gewebe wies die gleichen Strukturen auf wie eine natürliche, sich entwickelnde Herzklappe", so Hinderer. Die elastischen Fasern verleihen Geweben, wie Haut, Blutgefäßen oder eben Herzklappen ihre Widerstandsfähigkeit und Elastizität. Sind sie einmal zerstört, kann der Mensch die Fasern nicht wiederherstellen. Sie werden nur während der Embryonalentwicklung und in den ersten Jahren nach der Geburt gebildet.
Das stabile und zugleich elastische Trägersubstrat ist biokompatibel und sterilisierbar – und damit für medizinische Anwendungen hervorragend geeignet. Zukünftiges Ziel ist es, ein zellfreies Medizinprodukt zu entwickeln, das sich erst nach dem Einsetzen in den Patienten selbst besiedelt. Dazu erforscht Hinderer, die seit Juli 2015 die Gruppe "Biomaterialien, Bioreaktoren und Bioimaging" am Fraunhofer IGB leitet, wie die Trägersubstrate mit weiteren spezifischen Proteinen modifiziert werden können, um gezielt Stammzellen anzulocken. Während die Zellen das Material besiedeln und eine neue Herzklappe mit ihrer eigenen Matrix bilden, soll das polymere Grundgerüst später im Körper abgebaut werden. Dadurch hat es das Potenzial, im Kinderherzen mitzuwachsen. Doch bis es soweit ist, muss sich die künstliche Herzklappe zunächst im Tiermodell an Schweinen beweisen.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
30.11.2015
