MIT stellt nicht-invasiven Wearable-Schrittmacher vor, der Herzpatienten rettet

In diesem Bereich reagieren genetisch veränderte Zellen direkt auf Schall. „Wir glauben, dass Sie in Zukunft möglicherweise Aufkleber am Körper haben könnten, die langfristig tief im Körper bildgebende Verfahren durchführen und gleichzeitig therapeutische Wirkungen durch Stimulation in einer nicht-invasiven geschlossenen Regelkreis-Art erzielen", sagte Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau sowie für Bau- und Umwelttechnik am MIT.

Vielversprechende Ergebnisse in TestsDie herkömmlichen Herzschrittmacher nutzen überwiegend direkte elektrische Impulse. Sie retten Millionen, erfordern jedoch invasive Eingriffe und direkten Kontakt mit dem Herzmuskelgewebe.

Wissenschaftler wussten bereits, dass Ultraschall den Körper sicher durchdringen und Gewebe beeinflussen kann, doch frühere Versuche, ihn zur Herzschrittmacherfunktion einzusetzen, waren zu schwach und unzuverlässig, um praktikabel zu sein. Um dieses Problem zu lösen, wandte sich das Forschungsteam der Sonogenetik zu.

Technischer Hintergrund

Zunächst wurde eine spezialisierte Gentherapie eingesetzt, um Herzzellen zu modifizieren und dabei maßgeschneiderte Ionenkanäle einzuführen, die sich bei Bestrahlung mit spezifischen akustischen Frequenzen öffnen.

Wenn das externe Ultraschall-Elektroden-Array einen Impuls aussendet, öffnen sich diese modifizierten Kanäle sofort und lassen einen schnellen Einstrom.

Dieser Calcium-Einstrom ist genau das chemische Signal, das eine Herzzelle benötigt, um sich zusammenzuziehen und zu schlagen. „Diese Kanäle können Ultraschall nun besser 'hören' und öffnen sich, um Calcium einzulassen, was die Zelle direkt aktiviert und zum Schlagen bringt", erklärte Chen Gong, Erster Autor der Publikation.

Die Ingenieure integrierten diese akustische Technologie

Die Ingenieure integrierten diese akustische Technologie in ein briefmarkegroßes Gerät, das mit winzigen Ultraschallwandlern bestückt ist. Aus einem hochveredelten Hydrogel gefertigt haftet der Aufkleber fest an der menschlichen Haut und lässt Ultraschallwellen dabei mit perfekter Klarheit hindurchtreten. Die Ergebnisse im Labor waren sofort sichtbar.

Bei Tests an künstlich hergestellten menschlichen Herzzellen synchronisierten sich diese augenblicklich mit dem Rhythmus des Ultraschalls. In Live-Tests an Ratten mit gefährlichen Herzrhythmusstörungen stabilisierte der miniaturisierte Aufkleber die unregelmäßigen Herzschläge rasch.

Langsame, schwankende Herzschläge wurden wieder auf ein gesundes, kräftiges Tempo gebracht. Zwei-Schritte-Ansatz Wie würde dies bei tatsächlichen menschlichen Patienten aussehen? Das Team plant einen einfachen, zweistufigen klinischen Ansatz. Der Patient erhält zunächst eine einmalige Injektion.

Technischer Hintergrund

Diese Gentherapie – nach dem Vorbild bereits für Erkrankungen wie die Sichelzellenanämie – programmiert die Herzzellen dauerhaft darauf, akustische Signale zu empfangen.

Ab diesem Punkt trägt der Patient lediglich den stempelgroßen Aufkleber, der sich mit einem taschengroßen Batteriepaket verbindet. „Wir glauben, dass dieser Schritt klinisch übertragbar ist und als Form der Gentherapie nichtinvasive Schrittmacher ermöglichen könnte", so Gong.

Dieselbe Forschungsgruppe am MIT hat zuvor bereits einen Ultraschallaufkleber entwickelt, der tiefe innere Organe abbilden kann; sie fusioniert die beiden Projekte derzeit aktiv. Das ultimative Ziel ist ein einziger intelligenter Aufkleber, der das Herz in Echtzeit überwacht und bei Erkennung einer Herzrhythmusstörung sofort akustische Impulse abgibt.

Falls diese Technologie für den menschlichen Einsatz validiert wird, wird sie die Medizin neu definieren als eine drahtlose, tragbare und oberflächennahe Erfahrung. Die Studie wurde am 2. Juni im Fachjournal Nature Biomedical Engineering veröffentlicht.