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Forschung

Wenn Apparate Organfunktionen übernehmen

03.06.2013  11:11 Uhr

Von Annette van Gessel / Während einer Herzoperation muss eine Maschine die Aufgabe dieses lebenswichtigen Organs übernehmen. Schwer Nierenkranke sind auf ein Dialysegerät angewiesen, um weiterleben zu können. Der Ingenieur Dr. Ali Kashefi entwickelt in Kooperation mit der RWTH Aachen Apparate, die das Überleben ermöglichen.

PTA-Forum: Wie müssen sich Laien eine Herz-Lungen-Maschine vorstellen?

Kashefi: Die Herz-Lungen-Maschine ist ein medizintechnisches Gerät, das für eine gewisse Zeit zwei Funktionen ersetzen muss: die Pumpfunktion des Herzens sowie den Gasaustausch in der Lunge. Während einer Herzoperation müssen sowohl das Herz als auch die Lunge außer Funktion gesetzt werden. In dieser Situation kommt der Oxy- genator als Hauptelement der Herz-Lungen-Maschine routinemäßig zum Einsatz, um diese lebenswichtigen Funktionen zu übernehmen. Dieser besteht aus einem Blut- und einem Gaskompartiment, die durch eine künst- liche Membran voneinander getrennt sind.

Über Blutkatheter und Schläuche wird dem Oxygenator das venöse Blut des Patienten mit einer Pumpe kontinuierlich zugeführt und das Blut nach dem Austausch von CO2 gegen Sauerstoff wieder zurückgeleitet. Wie schnell das Blut durch das Blutkompartiment hindurchfließt, bestimmt dabei die Blutpumpe. Mit ebenfalls festgelegter Flussrate wird der Sauerstoff durch das Gaskompartiment geleitet.

PTA-Forum: Was müssen Sie bei der Entwicklung von künstlichen Organen beachten?

Kashefi: Selbstverständlich müssen künstliche Organe sicher und zuverlässig sein. Daneben müssen bei der Entwicklung zwei Hauptaspekte beachtet werden: Funktionalität und Blutverträglichkeit, auch Hämokompatibilität genannt. Jedes neue medizintechnische Gerät, in dem die Werkstoffe mit Blut oder Gewebe Kontakt haben werden, darf nur sorgfältig ausgewählte Materialien enthalten. Diese müssen möglichst hoch biokompatibel beziehungsweise hämokompatibel sein, das heißt, gewebeverträglich beziehungsweise blutverträglich. Als hämokompatibel gilt ein Material, Gerät oder System, das seine spezielle Aufgabe erfüllt, ohne signifikante Reaktionen des natürlichen Organismus auszulösen. So dürfen beispielsweise keine Blutzellen beschädigt und keine Plasmaproteine denaturiert werden.

Bei der Auswahl geeigneter Biomaterialien ist oft ein Problem, dass Blut außerhalb der Blutgefäße immer auf das ihm fremde Material reagiert. Hierbei werden unter anderem das Gerinnungs- und Komplementsystem aktiviert.

Bestimmte Werkstoffe, die als Biomaterialien verwendbar sind, werden vom Blut nicht oder nur mäßig als Fremdmaterial erkannt. Diese lassen sich als blutkontaktierende Oberflächen einsetzen. Sind weniger blutverträgliche Werkstoffe aus verfahrenstechnischer Sicht vorteilhaft, entwickelt die Biomaterialforschung zunehmend Verfahren, um die Oberflächen der Werkstoffe, die mit Blut in Kontakt kommen, hämokompatibler zu machen. Ein Beispiel hierfür ist die dauerhafte Beschichtung mit Heparin.

PTA-Forum: Woraus besteht eine solche künstliche Lunge, ein Oxygenator?

Kashefi: Die Zufuhr von Sauerstoff und die Elimination von Kohlendioxid ist für die Funktion unseres Organismus unerlässlich. Der Begriff Oxygenator trifft nicht vollkommen zu. Er ergab sich aus der historischen Entwicklung eines Apparates zum extrakorporalen Gasaustausch, bei dem der Sauerstofftransport im Vordergrund stand. Ein künst- liches Organ zum Blutgasaustausch muss aber sowohl Sauerstoff als auch Kohlendioxid transportieren.

Bei den Oxygenatoren haben sich die Membranoxygenatoren durchgesetzt. Hierbei werden die Blut- und die Gasphase durch eine gaspermeable Membran getrennt. Die ersten Mem­branoxygenatoren besaßen parallel geschichtete Plattenmembranen aus Silikon, in deren Spalt abwechselnd Blut und Gas strömte. Die vergleichsweise schlechte Effektivität war ein Grund dafür, neue Materialien und verfahrenstechnisch verbesserte Bauprinzi­pien zu entwickeln. Dies führte letzlich zu Hohlfasermembran-Oxygenatoren, wie sie im Prinzip auch heute klinisch angewendet werden.

Als weitaus bedeutendste Mem­branwerkstoffe zeichnen sich Polymere durch einen niedrigen Rohstoffpreis und gute Verarbeitbarkeit aus. Die mikro­porösen Hohlfasern bei den Oxygenatoren bestehen aus Polypropylen beziehungsweise Polymethylpenten.

Insgesamt besteht ein solcher Hohlfasermembran-Oxygenator aus mehreren tausend Hohlfasern mit einem Innendurchmesser von circa 0,3 mm und Außendurchmesser von 0,4 mm. In einem Oxygenator für Erwachsene befinden sich mehr als zwei Kilometer Hohlfasern.

PTA-Forum: Welche Anforderungen muss ein Oxygenator beziehungsweise eine Herz-Lungen-Maschine erfüllen?

Kashefi: Weltweit werden jährlich etwa 1,2 Millionen Erwachsene am Herzen operiert. Die dabei verwendeten Oxygenatoren und das gesamte verwendete Reservoire, Blutfilter und Schlauchsystem sind immer Einmalartikel und müssen nach jeder Operation entsorgt werden.

Bevor der Patient an die Herz-Lungen-Maschine angeschlossen wird, muss das System mit Plasmaersatzflüssigkeit gefüllt worden sein. Das Volumen des ex trakorporalen Kreislaufs soll möglichst klein gehalten werden, um die Verdünnung des Patientenblutes so gering wie möglich zu halten und einen Einsatz von Konservenblut zu vermeiden.

PTA-Forum: Aber müssen nicht auch manche Kinder am Herzen operiert werden?

Kashefi: Ja, darum brauchen wir unterschiedlich große Oxygenatoren. Es gibt drei Modelle: für Erwachsene, Kinder und Neugeborene. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Lungenunterstützung bei Frühgeborenen. Grundsätzlich gilt: Je kleiner und leichter der Patient, desto wichtiger ist ein möglichst niedriges extrakorporales Füllvolumen. Dies gilt insbesondere für Frühgeborene und ältere Patienten. Das gesamte Blutvolumen der Frühgeborenen beträgt häufig weniger als 60 Milliliter. Also muss das System so klein sein, dass man das Blut nicht verdünnt. Derzeit gibt es für Frühgeborene keine Herz-Lungen-Maschine. Darum entwickeln wir eine Herz-Lungen-Maschine für diese kleinsten Patienten, möglichst mit 30 Milliliter Füllvolumen.

PTA-Forum: Wie versuchen Sie, die bereits im Handel befindlichen Medizinprodukte zu verbessern?

Kashefi: Ein Teil der Forschung wird in bessere Materialien investiert. Für Oxygenatoren bedeutet dies, ausreichende Gastransferleistung bei möglichst hoher Hämokompatibilität beziehungsweise niedrigen Blutreaktionen. Es hängt auch von der Größe der Membranoberfläche ab, wie stark Leukozyten aktiviert werden beziehungsweise wie viel Thromboxan gebildet wird. Daher können wir die Hämokompatibilität bereits verbessern, indem wir die Membranoberfläche verkleinern. Dies ist beispielsweise die Aufgabe des Entwicklungsingenieurs.

PTA-Forum: Woher erhalten Sie die Informationen, in welchem Bereich neue Geräte gebraucht werden?

Kashefi: Die Entwicklung von medizinischen Apparaten ist eine interdisziplinäre Forschung. Daher ist die ständige Zusammenarbeit zwischen Ärzten und Ingenieuren unerlässlich. Die Anfrage für kleinere Geräte kommt beispielsweise von den Neonatologen der Uni- klinik in Aachen.

PTA-Forum: Arbeiten Sie aktuell noch an anderen Entwicklungen?

Kashefi: Ja, zurzeit entwickeln wir eine Kombination aus Pumpe und künstlicher Lunge, den Pumpoxygenator. Das Ergebnis ist ein Oxygenator mit integrierter Pumpfunktion. Dieser Oxygenator kann dann als eine kompakte Herz-Lungen-Maschine sowohl in der Herzchirurgie als auch in der Intensivmedizin eingesetzt werden.

PTA-Forum: Darüber hinaus arbeiten Sie an sogenannten Atemtrainern. Können Sie dazu schon etwas sagen?

Kashefi: Das ist ein ganz aktuelles Projekt: die Entwicklung von Atemtrainern, die man sowohl bei Hochleistungssportlern einsetzen kann als auch bei Lungenkranken wie Asthmapatienten. Dieses Projekt läuft gemeinsam mit der RWTH.

Ein Phänomen ist sicher allen bekannt: Um die Kondition von Ausdauersportlern wie Marathonläufern oder Radrennfahrern zu verbessern, trainieren diese häufig in höher gelegenen Regionen. Aufgrund des geringen Sauerstoffgehalts der Luft nimmt die Hämoglobinkonzentration im Blut zu. Dies verbessert den Sauerstofftransport und damit auch die sportlichen Leistungen.

Der von uns entwickelte Atemtrainer basiert auf Technologien, die aus dem Bereich der Herz-Lungen-Maschinen und der Anreicherung von Blut mit Sauerstoff stammen. Über dünne Hohlfasern kann die Zufuhr von Sauerstoff und damit die Konzentration des Sauerstoffs in der Atemluft des Sportlers eingestellt werden. Gleichzeitig wird das Kohlendioxid aus der Atemluft entfernt. Eine stufenweise Einstellung der Sauerstoffkonzentration ermöglicht eine allmähliche Gewöhnung und Anpassung des Körpers.

Bei diesen Atemtrainern ist der Vergleich mit der Höhenforschung angebracht. Die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten ist groß. Jeder Hochleistungssportler und auch Hobbysportler könnte dieses Gerät zu Hause einsetzen. Je nach Anwender soll es allerdings unterschiedliche Versionen geben. /