Eine neue Lösung für die Stromversorgung von Herzpumpen

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Andreas Kourouklis hat einen Pioneer Fellowship der ETH Zürich erhalten, um ein
Andreas Kourouklis hat einen Pioneer Fellowship der ETH Zürich erhalten, um ein neues Kabelsystem für Herzpumpen zu entwickeln. (Bild: Nici Lebküchner / ETH Zürich)
Fast jeder zweite Träger eines Kreislaufunterstützungssystems hat mit Infektionen zu kämpfen. Der Grund dafür ist das dicke Kabel für die Stromversorgung. Forschende haben nun eine Lösung für das Problem gefunden.

Viele Patient:innen, die auf ein Spenderherz warten, können nur mithilfe einer Pumpe weiterleben, die direkt an ihrem Herzen angebracht ist. Diese Pumpe braucht etwa so viel Strom wie ein Fernseher, den sie über ein sieben Millimeter dickes Kabel aus einer externen Batterie zieht. Das System ist zwar handlich und zuverlässig, hat aber eine grosse Schwäche: Trotz medikamentöser Massnahmen kann die Austrittsstelle des Kabels am Bauch zum Einfallstor für Bakterien werden.

Geht es nach Forscher Andreas Kourouklis soll dieses Problem bald der Vergangenheit angehören. Gemeinsam mit ETH-Professor Edoardo Mazza und Ärzt:innen des Deutschen Herzzentrums in Berlin hat der Ingenieur ein neues Kabelsystem entwickelt, das die Herzpumpe mit Strom versorgt, ohne dass es dabei zu Infektionen kommt. Das ist besonders relevant, da drahtlose Methoden zur Stromübertragung in absehbarer Zeit nicht für Patient:innen zur Verfügung stehen werden. Kourouklis hat ein Pioneer Fellowship der ETH Zürich erhalten, um die Technologie voranzutreiben.

Dünne Drähte mit Kratern ersetzen dickes Kabel

«Durch das dicke Kabel in bestehenden Kreislaufunterstützungssystemen entsteht eine offene Wunde, die nicht verheilt und die Lebensqualität von Patient:innen stark beeinträchtigt», erklärt Kourouklis. Um die Austrittsstelle herum bildet sich schlecht durchblutetes Narbengewebe, das nicht nur die Selbstheilung der Haut beeinträchtigt, sondern auch das Infektionsrisiko erhöht. Da die äusseren Hautschichten auf der glatten Oberfläche des Kabels nur schlecht anhaften, wachsen sie nach unten ein. Dadurch gelangen Bakterien von der Hautoberfläche in tiefere Gewebeschichten. Die Folge: Patient:innen haben regelmässig mit Infektionen zu kämpfen, die im Krankenhaus behandelt werden müssen.


Eine Technologie von Forschenden um Andreas Kourouklis soll nun Abhilfe schaffen: Statt eines dicken Kabels, das steifer als die menschliche Haut ist, sollen mehrere dünne und flexible Drähte mit einer gewölbten, unregelmässigen Oberfläche die Stromversorgung der Herzpumpe sicherstellen. Die Forschenden vergleichen ihren Ansatz mit menschlichen Haaren, die die Haut durchbrechen, ohne Infektionen zu verursachen: «Flexiblere Drähte mit einer Oberfläche voller kleiner, unregelmässiger Krater unterstützen die Wundheilung der Haut», sagt Kourouklis. Der Grund: Die äussersten Hautschichten haften besser an diesen Drähten und wachsen nicht nach unten ein. Es bildet sich schneller neues Gewebe und die Haut bleibt als Barriere gegen bakterielle Infektionen eher intakt.

Wassertropfen erzeugen kleine Krater

Um die Krater auf der Kabeloberfläche zu erzeugen, haben die Forschenden um Kourouklis und ETH-Professor Mazza ein neues Verfahren entwickelt. Damit können sie auch Oberflächen, die nicht flach sind, mit sehr kleinen, unregelmässigen Mustern versehen, was bis anhin nicht möglich war.

Die Methode, die aktuell an der ETH Zürich patentiert wird, funktioniert wie folgt: Die Forschenden Überziehen die flexiblen Drähte mit einer dünnen Silikonschicht und kühlen sie auf minus 20 Grad Celsius hab. Dadurch wird die Oberfläche formbar. Anschliessend kommen die Drähte in die Kondensationskammer, wo sich kleine Wassertropfen in die fluide Silikonschicht drücken so unregelmässige Krater erzeugen. Dazu Pioneer Fellow Kourouklis: «Wir können die Position der Krater über die Feuchtigkeit und die Temperatur in der Kondensationskammer verändern.»

Die Herausforderung dabei ist, dass die Krater weder zu gross noch zu klein sein dürfen: Sind sie zu gross, können sich Bakterien darin einnisten und das Infektionsrisiko steigt. Sind sie hingegen zu klein, bleibt die Haut daran nicht haften und wächst nach unten - auch in diesem Fall steigt die Gefahr von Infektionen. Ein klassisches Optimierungsproblem, das Kourouklis und sein Team durch computergestützte Modelle und Experimente zu lösen versuchen.

Erste Tests bestätigen geringere Infektionsgefahr

Die ersten Tests führten Kourouklis und seine Kolleg:innen an Hautzellkulturen durch. Erst dann wurden sowohl das neue Kabelsystem als auch das alte, dicke Kabel einem Schaf implantiert. Die Ergebnisse stimmen den Forscher optimistisch: Während die dicken Kabel mit glatter Oberfläche zu schweren Entzündungen führten, kam es bei den dünnen, flexiblen Kabeln nur zu milden Entzündungsreaktionen. Kein Schaf erlitt bei den Versuchen bleibende Verletzungen.

Wichtiger noch: Die Haut der Schafe haftete besser an den neuen Kabeln an und wuchs im Vergleich zu den dicken Kabeln kaum nach unten. Dementsprechend kam es bei den dünnen Kabeln mit Kratern auch nicht zu Infektionen der Austrittswunde bei den Tieren.

Kourouklis arbeitet derzeit mit Medizintechniker:innen und Herzchirurg:innen daran, das Kabelsystem zu verbessern. Sein Ziel ist, die Technologie so bald wie möglich auf den Markt zu bringen. Bevor das neue Kabelsystem jedoch bei Herzpatienten eingesetzt werden kann, sind noch eine Reihe von Tests an Hautmodellen, Tieren und schliesslich an Menschen notwendig.

Pioneer Fellowship Programm

Das Pioneer Fellowship ist ein umfassendes Unterstützungsprogramm, das innovativen Denker:innen ideale Bedingungen für den Beginn ihrer unternehmerischen Tätigkeit bietet. Das Programm richtet sich primär an Doktorierende, steht aber auch Masterstudierenden und Postdocs offen. Pioneer Fellows erhalten ein Stipendium von 150’000 Franken über 12 bis 18 Monate, zusätzlich zu umfassendem Mentoring und Ausbildung. Während der Dauer des Programms sind die Fellows im ieLab untergebracht. Die Pioneer Fellowships werden gemeinsam von der ETH Foundation und der ETH Zürich finanziert.


Dieses spezifische Projekt wurde von der Fondation Alcea und Innosuisse gefördert und ist ein Teil des externe Seite Zurich Heart Projektes call_made der Hochschulmedizin Zurich.

Literaturhinweis

Kourouklis A, · Kaemmel J, · Wu X, · Potapov E, · Cesarovic N,· Ferrari A, · Starck C, · Falk V, · Mazza E. Systems of conductive skin for power transfer in clinical applications, European Biophysics Journal 51(2), doi: 10.3929/ethz-b-000505294 .

Kourouklis A, · Kaemmel J, · Wu X, · Banos M, Chanfon A, de Brot S,· Ferrari A, · Cesarovic N , Falk V, · Mazza E. Transdermal wires for improved integration in vivo, Biomaterials Advances Volume 153, October 2023, doi: externe Seite 10.1016/j.bioadv.2023.213568 call_made.
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