Ein Sensorkleid für kranke Herzen

US-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um eine Vielzahl von Sensoren passgenau an ein Herz anzulegen - und so personalisierte Herzschrittmacher und andere Zusatzgeräte zu ermöglichen.

Dank des medizinischen Fortschritts sind heute viele Herzkrankheiten heilbar. Technische Zusatzgeräte wie Defibrillatoren oder Herzschrittmacher bringen es wieder in den Takt. Doch bei all diesen Behandlungen ist das Herz zuerst eine Abstraktion: eine Pumpe, deren Kammern wieder in Gang gebracht werden müssen. Tatsächlich gleicht jedoch kein Herz dem anderen, weder in Größe noch in Form. Die Medizintechnik hat auf diese Unterschiede bislang keine Rücksicht genommen. Das soll sich nun ändern: US-Forscher haben eine Herz-Sensorik vorgestellt, die auf die Physiologie eines bestimmten Organismus zugeschnitten ist – und so exaktere Informationen über das Organ verarbeiten soll.

Den Laborprototyp entwickelten sie im Tierversuch. Kaninchen wurde der Brustraum geöffnet, das noch schlagende Herz dann fotografiert. Aus den Bildern erstellten sie Modelle, die sie in einem 3D-Drucker umsetzten. Anschließend wurden die Modelle mit einer elastischen Hülle überzogen, in die Sensoren für den Sauerstoffgehalt des Blutes, Dehnung und die Körpertemperatur eingebettet waren. Die Sensorhülle ließ sich dann vom Modell abnehmen und passgenau um das reale Herz legen.

Die Möglichkeiten, die sich hiermit eröffnen, könnten etwa Defibrillatoren verbessern. Diese Geräte lesen den Herzschlag mit ein oder zwei Elektroden aus und feuern Stromstöße ab, wenn das Herz schwer aus dem Tritt gerät. Der Nachteil bisher: Mit nur zwei Messpunkten lässt sich die Stärke des Stromstoßes nicht gut dosieren. Dadurch bekommen Patienten manchmal unnötig schmerzhafte Schocks verabreicht.

„Der nächste Schritt ist deshalb ein Gerät mit einer Vielzahl von Sensoren, wobei es nicht darum geht, nur die Anzahl zu erhöhen“, sagt Igor Efimov, Kardiologe an der Washington University in St. Louis. Messungen des Säuregehalts im Blut etwa könnten eine verstopfte Herzarterie enthüllen. LEDs und Lichtsensoren wiederum könnten Ärzte über den Zustand des Herzgewebes informieren, denn schlecht durchblutete Stellen sind für Licht weniger durchlässig. Lichtsensoren könnten sogar einen Herzinfarkt feststellen, bei dem das fluoreszierende Enzym NADH ausgeschüttet wird.

Efimov arbeitet mit dem Materialwissenschaftler John Rogers von der University of Illinois in Urbana-Champaign zusammen. Rogers hat mit seiner Firma MC10 dünne, elastische Elektronikfolien entwickelt, die sich um das Herz und andere Organe legen lassen.

In früheren Versuchen seien die Elektroden noch in eine flach ausgebreitete Folie eingelassen worden, sagt Yonggang Huang von der Northwestern University, der die neue Technologie mit entwickelt hat. Legte man die flache Folie um das Modell eines Organs, bildeten sich Falten.

Rogers und Huang ging den umgekehrten Weg: Zuerst verteilten sie die Sensoren auf der Oberfläche des Herzmodells. Anschließend überzogen sie die Sensoren mit einer elastischen, bioverträglichen Polymerschicht. Dadurch werden sie in ihrer Position fixiert, während die Folie sich exakt und ohne Falten um das Organ schließt.

Mit der neuen Technik ließen sich nun mehrere Herzfunktionen gleichzeitig messen, was bisher unmöglich gewesen sei, lobt Nicholas Peters, Leiter der Kardiologie am Imperial College London, die Arbeit der US-Forscher. „Wir haben lange darauf gewartet, mechanische und elektrische Herzfunktionen mit einer solchen Präzision zu messen.“ Eine klinische Anwendung hält Peters für realistisch. Man müsste dafür auf Computertomografien eines Herzens zurückgreifen, um das Modell zu erstellen.

Die Stanford- Materialwissenschaftlerin Zhenan Bao wiederum freut sich noch über einen anderen Aspekt: „Das ist eine hübsche Anwendung des 3D-Drucks.“ Zwar seien damit maßgeschneiderte Herzmodelle wohl teurer als standardisierte, in Massen hergestellte. Aber wenn es um Leben und Tod gehe, werde der Markt die höheren Kosten tragen, sagt Bao. Die Menge und die Qualität der Daten, die Efimov und Rogers in den Tierversuchen gesammelt haben, seien beeindruckend.

Das Paper:
Lizhi Xu et al.: "3D multifunctional integumentary membranes for spatiotemporal cardiac measurements and stimulation across the entire epicardium", Nature Communications, 25.2.2014 (Abstract) (nbo)