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Namen & Nachrichten Optisch stimulierte Herzmuskelkontraktion

Ein innovativer Ansatz soll zur optischen Erregbarkeit der Herzmuskelzellen durch die Kombination von modernen Methoden der Photonik, Optogenetik und Nanotechnologie führen.

Im neuen Verbundprojekt BioPACE (Biohybride für die Photon-aktivierte cardiale Erregung) entwickelt das LZH gemeinsam mit vier Partnern (Centrum für Angewandte Nanotechnologie GmbH, LifePhotonic GmbH, Medizinische Hochschule Hannover, Universitätsklinikum Bonn) einen neuartigen, biohybriden Herzschrittmacher zur schonenderen und effektiveren Behandlung von Herzrhythmusstörungen.  

Die neue Technologie verfolgt einen innovativen Ansatz zur Anregung der Herzmuskelkontraktion: Während herkömmliche Herzschrittmacher elektrische Impulse in das Herz geben, die schmerzhaft sein können und bei wiederholter Anwendung zu einer dauerhaften Schädigung des Herzmuskels führen , sollen in dem neuen Verfahren optische Impulse eingesetzt werden.

Ziel des BioPACE-Konsortiums ist daher die Erforschung von biohybriden Implantaten für die Photon-aktivierte Herzerregung durch die Kombination von modernen Methoden der Photonik, Optogenetik und Nanotechnologie. Zentral ist dabei die Herstellung einer optischen Erregbarkeit der Herzmuskelzellen sowie die Entwicklung und Bereitstellung optischer Fasertechnologien und Nanopartikel, um eine optimale Erregbarkeit tief im Gewebe zu ermöglichen. Die im Verbund entwickelte Hightech-Strategie soll die Photon-aktivierte Stimulation zunächst mit Schwerpunkt auf Erprobung an Herzmuskelkonstrukten erforschen, um ihre Einsetzbarkeit für die Entwicklung eines biohybriden Herzschrittmachers für Kinder und jüngere Patienten zu evaluieren. Hierfür wird die prinzipiell Anwendbarkeit dieser Technologien zur optogenetischen Herzstimulation, Defibrillation lebensbedrohlicher Herzrhythmusstörungen und Muskelstimulation anhand von isolierten Modellen getestet. Eine begleitende Erprobung für eine hochauflösende Skelettmuskelstimulation soll das perspektivisch breite Anwendungspotential auch in anderen Bereich der Medizin demonstrieren.

Zum Teil wird der Schrittmacher aus patienteneigenen Zellen, also aus biologischem Material, bestehen. Dadurch können Abstoßungsreaktionen des Körpers minimiert werden. In diese in ein Hydrogel eingebetteten Zellen werden sogenannte aufwärtskonvertierende Nanopartikel (upconverting nanoparticles, UCNP) eingebracht. Diese erzeugen als Reaktion auf die optische Stimulation eine Kontraktion des Herzmuskels. Vorteile dieses neuen Geräts sind der geringere Energiebedarf sowie die effektivere räumliche und zeitliche Kontrolle der Stimulation. Dadurch könnten zum Beispiel Vernarbungen des Gewebes verringert oder ganz vermieden werden. Die LZH-Forscher konzentrieren sich dabei auf die Teilprojekte zur Einkopplung und Verteilung des Lichts im Herzmuskel. Vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) wird das Vorhaben im Rahmen der Förderinitiative „Photonik Plus – Neue optische Basistechnologien“ für eine Laufzeit von drei Jahren mit 1,87 Mio. € gefördert.

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