Das Herz schlägt im Laufe eines Lebens mehr als drei Milliarden Mal. Ein Signalgeber am Herzen sorgt für den richtigen Rhythmus. Doch schon bei Neugeborenen können Störungen mit lebensbedrohlichen Folgen auftreten. Wenn die Weiterleitung des Signals vom Vorhof auf die Herzkammern teils oder vollständig unterbrochen ist, überwinden bisher elektronische Herzschrittmacher diese Blockade. Die starren, technischen Herzschrittmacher wachsen jedoch nicht mit dem jungen Körper mit. Sie müssen regelmäßig getauscht werden. Zahlreiche belastende und zunehmend riskantere Operationen sind unausweichlich. Für das Team um Projektleiter Univ.-Prof. Dr. med. Stefan Jockenhövel vom Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik an der RWTH Aachen sind biomedizinische Implantate die Lösung.
Mitwachsende Zellen statt starrer Apparate
Gemeinsam mit seinen Kollegen entwickelt Prof. Jockenhövel sogenannte biohybride Implantate, also Implantate, die teilweise aus künstlichen Materialien, zum anderen Teil aus körpereigenen Zellen bestehen – wie etwa der biohybride Herzschrittmacher für herzkranke Kinder. Der sogenannte BioPacer besteht aus einem leitfähigen Kabel aus körpereigenen Zellen, das die gestörte Übertragung des Schrittmachersignals ermöglicht. Der Vorteil: Biologische Herzschrittmacher unterliegen keinem Batterieaustausch, passen sich an die kindliche Anatomie an, minimieren das Infektionsrisiko und helfen, belastende Operationen zu vermeiden.
Bei manchen Kindern kann das Herz seine Funktion als Pumpe nicht optimal erfüllen. Als Folge treten Herzrhythmusstörungen mit Symptomen wie Herzrasen, Herzstolpern, Schwindel oder auch plötzliche Bewusstlosigkeit auf. Der Grund dafür liegt meist in der Blockierung oder Störung der Reizleitung (AV-Block – atrio-ventrikuläre Blockierung). Diese sorgt für eine Verminderung der Herzfrequenz und nachfolgend der Herzleistung. Rund 100 Kindern muss pro Jahr in Deutschland ein künstlicher Herzschrittmacher implantiert werden. So wird ihr Leben zwar gerettet, doch die Technik ist mit einer erheblichen Belastung für die kleinen Patienten verbunden.
Erster Meilenstein
Der Forschergruppe um Prof. Jockenhövel und Teamkoordinatorin Priv.-Doz. Dr. med. Petra Mela ist es gelungen, einen sogenannten AV-Knoten aus menschlichen Hautzellen zu rekonstruieren, der sich in das natürliche Gefüge des Herzens einbetten lässt. Die Herstellung eines biologischen „Elektrokabels“ soll die Übertragung des Schrittmachersignals von den Vorhöfen zur Herzkammer ermöglichen. Die Entwicklung dieses biologischen Kabels zur Aufhebung einer AV-Blockierung hat ein hohes Potential, bringt aber auch viele Herausforderungen mit sich: Es braucht ein stabiles Gerüstmaterial, um die lebendigen inneren Zellen zu halten. Zugleich muss aber auch die Durchlässigkeit für die Nährstoffversorgung der Zellen gewährleistet sein. „Die ersten Ergebnisse aus unserer Forschung sind vielversprechend und zeigen die prinzipielle Machbarkeit eines solchen biologischen Verbindungskabels in der Laborumgebung“, so Prof. Jockenhövel.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten in der ersten Projektphase nicht nur die Labormethode zur Herstellung von biologischen AV-Knoten, sondern konzipierten zugleich auch einen Bioreaktor, der die patienteneigenen Hautzellen in Herzmuskelzellen umwandelt. Doktorand Hans Keijdener war es, der die im Bioreaktor erzeugten Reizleitungen in eine bestimmte Struktur brachte und so ein biologisches, fadenförmiges „Kabel“ züchtete, das leitfähig ist und die fehlende Verbindung überbrücken kann. „Das ist ein erster wichtiger Erfolg auf dem noch langen Weg hin zu einem Implantat“, erklärt Prof. Jockenhövel.
Die Nutzung von menschlichem Gewebe vermindert zudem die Gefahr von Abstoßungsreaktionen beziehungsweise die Infektanfälligkeit der kleinen Patienten.
In einem nächsten Schritt sollen die lebendigen Kabel durch gezielte biomechanische und elektrophysiologische Stimulation ein eigenes Erregungsleitungssystem entwickeln, das eine eigene Blutgefäßversorgung ausbildet, um die Überleitung der elektrischen Erregung vom Vorhof des Herzens zur Herzkammer zu übernehmen. So werden sie zum biologischen Herzschrittmacher. Kindern und Jugendlichen mit einer angeborenen Blockade dieser Überleitung, dem AV-Block, soll auf diese Weise dauerhaft geholfen werden, da die biologischen Elektrokabel im Idealfall mitwachsen und lebenslang erhalten bleiben.
KinderHerz-Innovationspreis NRW 2018
Um die medizinische Versorgung der kleinen Patienten kontinuierlich und nachhaltig zu verbessern, fördert die Stiftung KinderHerz Forschungsprojekte an renommierten Kinderherzzentren in ganz Deutschland. Das Projekt „BioPacer“ wird von der Stiftung seit 2016 gefördert. Die erste Projektphase wurde bereits finanziert, Phase zwei ist gestartet.
Das Forschungsvorhaben von Doktorand Keijdener mit dem Titel „Entwicklung eines biologischen Elektrokabels für das Herz“ gewann beim KinderHerz-Innovationspreis NRW 2018 den Crowdfunding-Preis.
Das Forschungsvorhaben von Doktorand Keijdener mit dem Titel „Entwicklung eines biologischen Elektrokabels für das Herz“ gewann beim KinderHerz-Innovationspreis NRW 2018 den Crowdfunding-Preis.
Weitere Informationen sowie Videos zum Projekt finden Sie auf der Webseite der Stiftung KinderHerz: www.stiftung-kinderherz.de 
