Implantierbares künstliches Organ

Bisher kann eine künstliche Lunge nur vorübergehend das Organ ersetzen – Thrombosen begrenzen die Nutzungsdauer. Nun versuchen Forscher, die Oberflächen, die mit Blut in Kontakt kommen, mit Endothelzellen zu besiedeln. Ziel der bundesweiten Projekte: ein implantierbares künstliches Organ.

Für Menschen mit schweren Lungenerkrankungen ist die Transplantation eines gesunden Organs oft die einzige Überlebenschance. Doch Spenderlungen sind Mangelware. Abhilfe könnte eine neue künstliche Lunge bringen. An einer so genannten Biohybrid-Lunge arbeiten Forscher der Medizinischen Hochschule Hannover MHH. Als Grundlage dient ihnen die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO), bei der das Blut durch Kunststoff-Hohlfasern geleitet wird, die als „künstliche Lungenbläschen“ für den Gasaustausch sorgen. Dieses Lungen-Unterstützungssystem wird bereits klinisch angewendet – etwa zur Sauerstoffversorgung schwer an Covid-19 erkrankter Patientinnen und Patienten auf Intensivstationen.

„Bislang können wir mit der ECMO aber nur für eine gewisse Zeit die Lungenfunktion überbrücken“, erklärt Dr. Bettina Wiegmann vom Niedersächsischen Zentrum für Biomedizintechnik, Implantatforschung und Entwicklung (NIFE). Die Begründung für die zeitliche Begrenzung: Beim Kontakt mit den künstlichen Oberflächen bildet das Blut Gerinnsel, und die Röhrchen verstopfen.

Diese Thrombenbildung will die Wissenschaftlerin verhindern, indem sie die Oberflächen der Gasaustausch-Membranen, der Blutpumpe und der Schläuche mit speziellen, Gefäß auskleidenden Endothelzellen, besiedelt. „Diese nicht körpereigenen Endothelzellen sind zudem genetisch so verändert, dass sie für das Immunsystem des Patienten quasi unsichtbar sind und somit nicht als fremd erkannt und bekämpft werden“, erklärt die Herzchirurgin und Notfallmedizinerin.

Endothelzellen müssen dem Blutstrom standhalten

In einem nächsten Schritt muss geprüft werden, ob die Endothelzellen auf den künstlichen Oberflächen fest genug haften und der Reibungsbelastung durch den Blutstrom standhalten. Auch müssen die Membranen so weiterentwickelt werden, dass bei größtmöglicher Fläche für den Gasaustausch das Volumen des Kunstorgans dennoch möglichst klein und effektiv bleibt, so wie es auch bei der menschlichen Lunge der Fall ist: Hier sind etwa 100 bis 140 m² Atemoberfläche platzsparend in 300 Millionen Lungenbläschen verpackt.

Eine weitere Anforderung ist die Form des ECMO-Gerätes, die bei der Entwicklung der Biohybrid-Lunge verändert werden muss, damit sie optimal in den Körper implantiert werden kann. „Einen eckigen Kasten können wir nicht in den Brustkorb eines Patienten einsetzen“, erklärt die Wissenschaftlerin.

Unterstützung für Lunge und Nieren in einem Gerät

Doch nicht allein die Atmung, auch die Nierenfunktion hat die Wissenschaftlerin im Blick. Weil Patienten, die schwer lungenkrank sind und ein ECMO-Gerät benötigen, meist auch ein erhöhtes Risiko für ein akutes Nierenversagen haben, benötigen sie neben der Lungenersatztherapie auch eine maschinelle Dialyse. Bislang werden diese beiden Verfahren mit getrennten Geräten vorgenommen, was unter anderem das Risiko für Infektionen und Thrombosen erhöht. Die Wissenschaftlerin arbeitet daran, die Lungen- und Nierenunterstützung in einem einzigen Gerät zu kombinieren. „Dieser so genannte Lungen-Nieren-Crosstalk ist ein weiterer Aspekt für die Entwicklung einer individualisierten implantierbaren Lunge“, betont Dr. Wiegmann.

Sind alle noch bestehenden Probleme gelöst, sollen Prototypen der Biohybrid-Lunge zunächst unter Laborbedingungen mit Hilfe künstlich erzeugter Blutkreisläufe untersucht werden. Im nächsten Schritt werden sie dann zunächst als Atmungs-Akuthilfe und später als dauerhafte Lungenalternative im Tiermodell getestet. Bis die Kunstlungen in den menschlichen Körper transplantiert werden können, werden nach Ansicht der Forscherin aber noch einige Jahre vergehen.

Das DFG-Schwerpunktprogramm SPP 2014 fördert bundesweit insgesamt zehn Projekte. Die Medizinische Hochschule Hannover ist mit vier Projekten an diesem Programm beteiligt. Drei Projekte leitet Dr. Bettina Wiegmann – eines davon in Kooperation mit Professorin Dr. Constanca Ferreira de Figueiredo vom Institut für Transfusionsmedizin und Transplantat Engineering. Ein viertes ist an den Leibniz Forschungslaboratorien für Biotechnologie und künstliche Organe (LEBAO) angesiedelt und läuft unter der Leitung von Dr. Ruth Olmer. (op)

Implantierbare Lunge erforschen

Seit 2017 unterstützt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit ihrem Schwerpunktprogramm SPP 2014 „Towards an implantable Lung“ („Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge“) Projekte, die die Entwicklung einer künstlichen Lunge zum Ziel haben. Diese soll als Alternative zu einem Spenderorgan dauerhaft eingesetzt werden können. Prof. Dr. med. Rolf Rossaint von der Klinik für Anästhesiologie der Uniklinik RWTH Aachen und Nina Keusgen vom Institut für Angewandte Medizintechnik der RWTH Aachen koordinieren das Schwerpunktprogramm. Beteiligt ist auch die Medizinische Hochschule Hannover (MHH), das größte europäische Lungentransplantationszentrum. Die DFG fördert die Arbeit der Wissenschaftler für weitere drei Jahre mit mehr als 1,6 Mio. Euro.

Mehr über das Programm und die zugehörigen Projekte:

http://hier.pro/Ecgyh