Individuell 3D-gedruckte Herzen sehen aus wie echte und funktionieren auch so

Keine zwei Herzen schlagen identisch. Die Größe und Form des Herzens kann von Mensch zu Mensch variieren. Besonders ausgeprägt sind diese Unterschiede bei Menschen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen, deren Herzen und große Blutgefäße härter arbeiten müssen, um die eingeschränkte Funktion auszugleichen.

Was ist das Ziel der Kunstherz-Studie?

Mit einem maßgeschneiderten Roboterherz wollen die MIT-Ingenieure Ärzte dabei unterstützen, Behandlungen auf die spezifische Form und Funktion des Herzens eines jeden Patienten abzustimmen. Das Team hat eine Methode für den 3D-Druck einer weichen und flexiblen Nachbildung des Herzens eines Patienten entwickelt.

• Anschließend können sie die Funktion der Nachbildung so manipulieren, dass sie die Blutpumpfunktion des Patienten nachahmt.

Bei dem Verfahren werden medizinische Bilder des Herzens eines Patienten in ein dreidimensionales Computermodell umgewandelt, das die Forscher dann mit einer polymerhaltigen Tinte in 3D drucken können. Das Ergebnis ist eine weiche, flexible Hülle, die genau die Form des Patientenherzens hat.

• Mit dieser Technik kann auch die Aorta eines Patienten gedruckt werden, die große Arterie, die das Blut vom Herzen weg und durch den ganzen Körper transportiert.

Das Team hat Ärmel konstruiert, die Blutdruckmanschetten ähneln und sich um das gedruckte Herz und die Aorta wickeln, um die Pumpfunktion des Herzens zu simulieren. Die Unterseite jeder Manschette ähnelt genau gemusterter Luftpolsterfolie. Wenn die Manschette an ein pneumatisches System angeschlossen ist, können die Forscher den Luftstrom so einstellen, dass die Luftblasen der Manschette rhythmisch aufgeblasen werden und sich das Herz zusammenzieht, wodurch die Pumptätigkeit des Herzens simuliert wird.

Die Forscher können auch eine gedruckte Aorta verengen, indem sie eine separate Hülle aufblasen, die das Gefäß umgibt. Sie behaupten, dass diese Verengung so eingestellt werden kann, dass sie eine Aortenstenose imitiert, eine Erkrankung, bei der sich die Aortenklappe verengt und das Herz gezwungen ist, härter zu arbeiten, um das Blut durch den Körper zu pumpen.

Normalerweise wird eine Aortenstenose durch die chirurgische Implantation einer synthetischen Klappe behandelt, die die natürliche Klappe der Aorta vergrößern soll. Das Team glaubt, dass Ärzte in Zukunft mit ihrem neuen Verfahren zunächst das Herz und die Aorta eines Patienten ausdrucken und dann verschiedene Klappen in das gedruckte Modell implantieren könnten, um festzustellen, welches Design die beste Funktion und Passform für den jeweiligen Patienten bietet.

• Die Herznachbildungen könnten auch von Forschungslabors und der Medizintechnikindustrie als realistische Testplattformen für verschiedene Arten von Herzerkrankungen genutzt werden.

Luca Rosalia, ein Doktorand des MIT-Harvard-Programms für Gesundheitswissenschaften und Technologie, erklärt: „Alle Herzen sind einzigartig. Es gibt große Unterschiede, vor allem bei kranken Patienten. Wir können nicht nur die Form des Herzens eines Patienten nachbilden, sondern auch seine Funktion in der Physiologie und bei Krankheiten.“

Rosalia und ihre Kollegen stellen ihre Ergebnisse in einem Artikel vor, der heute in Science Robotics veröffentlicht wurde. Caglar Ozturk, Debkala Goswami, Jean Bonnemain, Sophie Wang und Ellen Roche sind neben Benjamin Bonner vom Massachusetts General Hospital, James Weaver von der Harvard University und Christopher Nguyen, Rishi Puri und Samir Kapadia von der Cleveland Clinic in Ohio Koautoren.

Drucken und pumpen

Im Januar 2020 entwickelte ein Team um die Maschinenbau-Professorin Ellen Roche ein „biorobotisches Hybridherz“ – eine allgemeine Nachbildung eines schlagenden Herzens aus synthetischem Muskel mit kleinen, aufblasbaren Zylindern, die so gesteuert werden können, dass sie die Kontraktionen eines echten schlagenden Herzens imitieren.

Kurz nach diesen Bemühungen zwang die Covid-19-Pandemie die meisten Labors auf dem Campus, darunter auch das von Roche, zur vorübergehenden Schließung. Zu Hause arbeitete Rosalia weiter an der Modifizierung des Herzpumpendesigns.

• „Im März baute ich das gesamte System in meinem Wohnheimzimmer nach“, erinnert sich Rosalia.

Nach einigen Monaten wurde das Labor wieder eröffnet, und das Team nahm seine früheren Bemühungen zur Verbesserung der Steuerung der Herzpumpmanschette wieder auf, die sie in Tier- und Computermodellen testeten. Die Forscher erweiterten dann ihren Ansatz auf die Herstellung von patientenspezifischen Hülsen und Herznachbildungen. Zu diesem Zweck wandten sie sich dem 3D-Druck zu.

Laut Wang, der als Facharzt für Gefäßchirurgie am Beth Israel Deaconess Medical Center in Boston tätig ist, besteht ein großes Interesse an der Nutzung der 3D-Drucktechnologie zur genauen Nachbildung der Patientenanatomie für die Planung und Schulung vor dem Eingriff.

Ein umfassendes Design

In der neuen Studie setzte das Team den 3D-Druck ein, um individuelle Nachbildungen von Patientenherzen zu erstellen. Sie verwendeten eine Tinte auf Polymerbasis, die sich nach dem Druck und der Aushärtung wie ein echtes schlagendes Herz zusammenziehen und ausdehnen kann.

Als Ausgangsmaterial dienten den Forschern medizinische Scans von 15 Patienten, bei denen eine Aortenstenose diagnostiziert wurde. Der linke Ventrikel (die primäre Pumpkammer des Herzens) und die Aorta jedes Patienten wurden als dreidimensionales Computermodell rekonstruiert. Dieses Modell wurde in einen 3D-Drucker eingespeist, um eine weiche, anatomisch genaue Gefäß- und Ventrikelhülle herzustellen.

Außerdem fertigte das Team Hüllen an, um die gedruckten Formen zu umschließen. Sie gestalteten die Taschen jeder Hülle so, dass jede Hülle, wenn sie um die jeweiligen Formen gewickelt und an ein kleines Luftpumpsystem angeschlossen wurde, unabhängig eingestellt werden konnte, um die 3D-gedruckten Modelle realistisch auszudehnen und zusammenzuziehen.

Die Forscher wiesen nach, dass sie für jedes Modellherz die zuvor bei jedem Patienten gemessenen Herzpumpendrücke und -ströme genau nachbilden konnten.

„Die Fähigkeit, die Durchflüsse und Drücke der Patienten nachzuahmen, war sehr ermutigend“, sagt Roche. „Wir drucken nicht nur die Anatomie des Herzens, sondern auch seine Mechanik und Physiologie. Das ist der Teil, der uns am meisten begeistert.“

Das Team wollte einige der Eingriffe wiederholen, denen sich einige der Patienten unterzogen hatten, um festzustellen, ob das gedruckte Herz und das Gefäß ähnlich reagieren. Einigen Patienten waren Aortenklappenimplantate eingesetzt worden, die die Aorta erweiterten. Roche und ihre Kollegen implantierten ähnliche Klappen in die patientenspezifischen 3D-gedruckten Aortenmodelle. Als sie das 3D-gedruckte Herz zum Pumpen anregten, stellten sie fest, dass die implantierte Klappe einen verbesserten Blutfluss erzeugte, der mit dem von Patienten vergleichbar war, die einen chirurgischen Klappenersatz erhalten hatten.

Schließlich nutzte das Team ein aktiviertes gedrucktes Herz, um verschiedene Implantatgrößen zu vergleichen und festzustellen, welche die beste Passform und den besten Blutfluss ergibt – etwas, das Kliniker in Zukunft vielleicht für Patienten tun können.

Mitautor Nyugen erklärt: „Die Patienten würden ihre Bildgebung machen lassen, was sie ohnehin tun, und wir würden diese nutzen, um dieses System zu erstellen, idealerweise innerhalb eines Tages.“ „Sobald es einsatzbereit ist, können die Ärzte verschiedene Klappentypen und -größen testen, um festzustellen, welche am besten funktioniert, und diese Klappe dann implantieren.“

• Roche ist davon überzeugt, dass die patientenspezifischen Nachbildungen letztlich zur Entwicklung und Identifizierung optimaler Behandlungsmethoden für Menschen mit einzigartigen und schwierigen Herzgeometrien beitragen werden.

Roche erklärt, dass „die Berücksichtigung eines breiten Spektrums anatomischer Gegebenheiten und das Testen von Eingriffen in diesem Bereich die Zahl der Patienten erhöhen kann, die mit minimalinvasiven Verfahren behandelt werden können.“

Diese Studie wurde teilweise von der National Science Foundation, den National Institutes of Health und dem National Heart, Lung, and Blood Institute finanziert.

Quellen

1. Luca Rosalia, Caglar Ozturk, Debkalpa Goswami, Jean Bonnemain, Sophie X. Wang, Benjamin Bonner, James C. Weaver, Rishi Puri, Samir Kapadia, Christopher T. Nguyen, Ellen T. Roche. Soft robotic patient-specific hydrodynamic model of aortic stenosis and ventricular remodeling. Science Robotics, 2023; 8 (75) DOI: 10.1126/scirobotics.ade2184
2. Kunstherz, Wikipedia, 2023.

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