Wir werden immer älter. Mit der steigenden Lebenserwartung und den bekannten Zivilisationskrankheiten wird auch der Verschleiss unseres Körpers und seiner Organe grösser. Dementsprechend suchen und entwickeln Forscher weltweit Ersatzteile. Für das Herz braucht es Ersatz-Herzklappen, deren Bedarf in den kommenden Jahrzehnten stark ansteigen wird. Im Jahr 2050 werden weltweit 850 000 Menschen künstliche Herzklappen benötigen. Die «Forschungsgruppe für komplexe Materialien» der ETH Zürich sucht auch deshalb nach Alternativen zu den heute eingesetzten künstlichen Herzklappen und hat nun eine zukunftsträchtige Lösung gefunden: eine Herzklappe aus Silikon aus dem 3-D-Drucker.

Unser Herz besteht aus mehreren Kammern und Vorhöfen. Jede Kammer ist mit einer Herzklappe ausgestattet, die wie ein Ventil wirkt, welches das Blut nur in eine Richtung fliessen lässt. Sind die Herzklappen undicht, durch Kalkablagerungen verengt, erweitert oder eingerissen, läuft das Blut in die falsche Richtung und die Kammern und Vorhöfe des Herzens zurück. Im schlimmsten Fall kommt es zu Herzrhythmusstörungen oder gar zum Herzversagen.

Heute werden zwei verschiedene Herzklappen-Systeme eingesetzt. Zum einen gibt es schon seit Ende der 1950er-Jahre mechanische Herzklappen. Damals aus Stahlteilen, heute aus Verbundwerkstoffen gefertigt. Solche mechanischen Herzklappen sind langlebig, haben aber auch den Nachteil, dass sie durch ihre Schlagkraft die roten Blutkörperchen zerstören. Das kann zu Blutgerinnseln führen, weshalb Patienten mit mechanischen Herzklappen blutverdünnende Medikamente schlucken müssen.

Nicht nötig ist das bei biologischen Herzklappen. Dafür werden aus extra für diesen Zweck gezüchteten und im richtigen Alter geschlachteten Kühen die Herzklappen herausgeschnitten und auf eine Metallstruktur, einen Stent, draufgenäht. «Diese Handarbeit, die meist in Tieflohnländern gemacht wird, ist sehr zeitaufwendig und kostspielig. Daher werden solche Herzklappen hauptsächlich in Erstweltländern eingesetzt», sagt Manuel Schaffner; Materialwissenschafter an der ETH Zürich und Erstautor der Studie zu den neuartigen Herzklappen. «Zudem können diese biologischen Herzklappen Entzündungen auslösen und haben eine kürzere Lebenszeit als mechanische Herzklappen.»

Beide gängigen Systeme haben zusätzlich den Nachteil, dass sie nicht an das Herz des Patienten angepasst sind. «Künstliche Herzklappen haben einen kreisförmigen Querschnitt. Die Aorta eines Patienten ist aber nie kreisrund», sagt Schaffner. Dementsprechend schwierig ist die Anbindung an die natürlichen Organe des Patienten.

Personifizierte Medizin ist die Zukunft

Deshalb haben die ETH-Forscher zusammen mit der südafrikanischen Firma SAT eine personalisierte, genau ans Herz des Betroffenen angepasste Herzklappe entwickelt. In ihrem Verfahren wird mit einem bildgebenden Verfahren die exakte Grösse der undichten Herzklappe bestimmt und danach mit einem 3-D-Drucker massgeschneidert ausgedruckt. Als Material verwendet wird dafür Silikon, welches der Körper gut verträgt und nicht abstösst. Silikon habe allerdings auch Nachteile, geforscht wird weiter an langlebigeren Materialien. Das Ziel ist es, aus dem 3-D-Drucker eine künstliche Herzklappe zu erhalten, die mindestens 15 Jahre funktioniert. Oder ein Material, das ein Leben lang hält und mit dem Patienten mitwächst. Eine Herzklappe, die sich im Körper zuerst selbst aufbaut und wieder abbaut, sobald das natürliche Gewebe nachgewachsen ist. Doch so weit ist die Materialforschung noch nicht.

Die Materialien für menschliche Ersatzteile verbessern sich laufend. Und werden nach Manuel Schaffner weiterhin am meisten genutzt werden, bevor sich biologische Gewebe durchsetzen werden. Geforscht wird am Bio-Printing aus dem 3-D-Drucker, das neue Möglichkeiten schaffen wird. «Zum Beispiel, dass man aus körpereigenen Zellen Herzklappen oder sogar Organe drucken kann. Da ist die Forschung aber noch in den Kinderschuhen», sagt der ETH-Materialwissenschafter.

Immerhin werden in der Forschung schon Knorpelgewebe, Ohren und Nasen aus biologischen Materialien gedruckt. Schaffners Team forscht auch am Bio-Printing, insbesondere für die Wundheilung. Dabei werden Bakterien gebraucht, um Zellulose herzustellen, die vor allem als Hautersatz nach Verbrennungen gebraucht wird.

Schweineherz in Pavian implantiert

Dem Münchner Herz-Chirurgen Bruno Reichart ist es vor einigen Monaten gelungen, einem Pavian ein ganzes Schweineherz einzusetzen. Das Schweineherz ist dem menschlichen sehr ähnlich. Der Pavian wurde als Empfänger ausgewählt, weil man daraus Schlüsse ziehen kann, ob ein Schweineherz auch im Menschen funktionieren würde. Die Schweineherzen werden vor der Entnahme so modifiziert, dass es zu keiner Abstossungsreaktion im Empfängerkörper kommt. Das ist durch die Gen-Schere Crispr/Cas9 technisch relativ leicht möglich. Ziel dieser Xenotransplantations-Forschung ist es, dass ein Schweineherz nicht – wie erst einmal geplant – zur Überbrückung, sondern für eine endgültige Herztransplantation eingesetzt werden kann. Das würde dem Problem des Spendermangels Abhilfe schaffen. Davon ist die Forschung aber noch weit entfernt.

In Japan haben Forscher Anfang dieses Monats verkündet, Mischwesen aus Mensch und Tier zu schaffen, Chimären. Für ihre Züchtung gibt es zwei Methoden: Entweder werden menschliche Stammzellen in einen Tierembryo gespritzt, oder in Tierembryonen wird gentechnisch verhindert, dass sich ein bestimmtes Organ bildet. Solch manipulierten Embryonen spritzt man dann menschliche Stammzellen ein, in der Hoffnung, dass das fehlende Organ im Tierembryo als menschliches Organ nachwächst.

Es entstehen viele ethische Fragen

Für Schaffner sind diese Chimären-Methoden keine reine Science-Fiction. «Die Versuche sind wissenschaftlich interessant, ethisch aber fragwürdig.» Welche Berechtigung hat ein solches Lebewesen? Darf man ein Gehirn verpflanzen, in dem für viele die Seele oder zumindest die Persönlichkeit sitzt? Werden Tierorgane für menschliche Ersatzteillager geschaffen oder fusioniert der Mensch mit Maschinen und werden menschliche Hybride entwickelt?