de.wedoany.com-Bericht: Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen nicht-invasiven Herzschrittmacher entwickelt, der das Herz mittels Ultraschall stimuliert. Das Gerät ist als kleines, auf der Brust tragbares Pflaster konzipiert und könnte in Zukunft eine chirurgiefreie Alternative zu herkömmlichen Herzimplantaten bieten.
Das Kernstück dieses Geräts ist ein briefmarkengroßes Pflaster, dessen Mikrowandler Ultraschallimpulse durch den Brustkorb senden, um das Herz zu stimulieren. Der Ultraschall löst die Öffnung bestimmter Ionenkanäle in den Herzzellen aus, ein Effekt, den die Forscher durch Gentechnik verstärkt haben. Wenn die Kanäle geöffnet werden, strömen Kalziumionen in die Zellen, und das Signal veranlasst die Herzzellen, sich zusammenzuziehen und zu schlagen. In Laborexperimenten bestrahlten die Forscher gentechnisch veränderte menschliche Herzzellen mit Ultraschall und stellten fest, dass die Impulse die gesunde Kontraktion der Zellen wirksam aufrechterhielten. Das Team testete das Ultraschallpflaster auch an Ratten. Die Ergebnisse zeigten, dass das Gerät Herzrhythmusstörungen schnell, sicher und nicht-invasiv korrigieren und einen regelmäßigen Herzrhythmus wiederherstellen konnte.
Das Forschungsteam hat einen Prototypen hergestellt, der das Ultraschallpflaster und ein kleines Taschengerät mit Batterie und Elektronik umfasst. Die Gruppe hatte zuvor ein Pflasterdesign vorgestellt, das Ultraschall zur Bildgebung tiefer Organe und Gewebe nutzt. Sie planen, beide Methoden in einem Pflaster zu integrieren, um eine gleichzeitige Überwachung und Steuerung der Herzaktivität zu ermöglichen.
„Wir glauben, dass man in Zukunft ein Pflaster auf den Körper kleben kann, um eine langfristige, tiefe Bildgebung des Körperinneren zu ermöglichen und in einer nicht-invasiven, geschlossenen Schleife therapeutische Stimulation zu liefern", sagte Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau sowie Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT. Gemeinsam mit Mitarbeitern des Teams von Professor Qifa Zhou von der University of Southern California (USC) veröffentlichte er die Forschungsergebnisse in der internationalen Fachzeitschrift „Nature Biomedical Engineering". Zu den MIT-Koautoren der Studie gehören der Erstautor Chen Gong sowie Runze Li, Won Jun Song, die ehemaligen Postdoktoranden Gengxi Lu, Shucong Li, Hsiao-Chuan Liu und andere. Zu den Koautoren gehören auch Forscher von der Harvard University, der University of California, Los Angeles, und anderen Teams der USC.
Derzeit nutzen in den USA etwa drei Millionen Erwachsene Herzschrittmacher. Diese implantierbaren Geräte sind ausgereift und in der Regel sicher, bergen jedoch weiterhin Operationsrisiken. „Herzschrittmacher sind eines der wichtigsten und am weitesten verbreiteten Implantate im menschlichen Körper und haben Millionen von Menschen das Leben gerettet", sagte der korrespondierende Autor der Studie, Gengxi Lu. „Aber sie sind invasiv und stehen in direktem Kontakt mit dem schlagenden Herzen. Ein langjähriger Traum ist es, eine nicht-invasive Herzstimulation mittels Ultraschall zu erreichen." Wissenschaftler hatten bereits zuvor eine Wirkung von Ultraschall auf das Herz festgestellt, die jedoch inkonsistent und schwach war. Das Team um Xuanhe Zhao wandte in seiner Forschung die Sonogenetik an – eine Methode, die sich von der Optogenetik inspirieren lässt, bei der Zellen durch genetische Manipulation bestimmter Teile auf Licht reagieren. Die Sonogenetik zielt darauf ab, Zellen durch Gentechnik dazu zu bringen, auf Schall, einschließlich Ultraschall, zu reagieren. Bei der Entwicklung des Herzschrittmachers erhöhte das Team die Empfindlichkeit der Herzzellen gegenüber Ultraschall mithilfe der Sonogenetik: Sie differenzierten Herzzellen mit Standardmethoden aus embryonalen Stammzellen und veränderten sie genetisch so, dass sie Ionenkanäle produzierten, die sich leichter durch Ultraschall öffnen lassen.
Im Experiment schlugen die gentechnisch veränderten Herzzellen synchron mit dem Ultraschall, wenn sie ihm ausgesetzt wurden, während unveränderte Zellen keine Reaktion zeigten. Das Team stellt sich vor, dass Patienten bei einer zukünftigen klinischen Anwendung zunächst eine einmalige Gentherapie-Injektion (ähnlich einer Impfung) erhalten könnten, um die Empfindlichkeit ihrer Herzzellen gegenüber Ultraschall zu erhöhen. Anschließend entwarf das Team das briefmarkengroße Ultraschall-Herzschrittmacher-Pflaster. Seine Klebeschicht besteht aus einem Hydrogel-Material, das fest auf der Haut haftet und Ultraschall ungehindert passieren lässt. In das Pflaster sind Mikro-Ultraschallwandler eingebettet, die auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt werden können. In Experimenten mit Ratten verabreichten die Forscher den Tieren zunächst eine sonogenetische, ultraschallverstärkende Lösung über eine Injektion in den Schwanz und klebten dann das Miniatur-Herzschrittmacher-Pflaster auf die Brust der Ratte. Nach dem Einschalten des Pflasters regulierte der Ultraschall schnell den Herzschlag der Tiere: Individuen mit zu langsamer Herzfrequenz kehrten zu einer normalen Rate zurück, solche mit Herzrhythmusstörungen wurden stabilisiert und blieben synchron mit den Ultraschallimpulsen.
„Jetzt können wir mit niederenergetischem Ultraschall Ionenkanäle in Zellen öffnen und so eine sehr effektive Herzstimulation erreichen", sagte der Erstautor Chen Gong. „Wir arbeiten daran, diese Pflaster kleiner und integrierter zu machen, damit sie leichter zu tragen, stabiler und langfristig präziser sind." Professor Xuanhe Zhao ergänzte: „In dieser Arbeit haben wir die nicht-invasive Stimulation gezeigt. Wir glauben jedoch, dass dieses Konzept nicht auf das Herz beschränkt ist. Wir sind überzeugt, dass man in Zukunft Pflaster an verschiedenen Körperstellen anbringen kann, um eine langfristige Bildgebung, Überwachung und therapeutische Stimulation in einer geschlossenen Schleife zu ermöglichen."
Diese Arbeit wurde teilweise von den National Institutes of Health, der National Science Foundation, der Abteilung für Augenheilkunde von Research to Prevent Blindness und dem US-Kriegsministerium unterstützt.
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