Medizin am Abend Berlin Fazit: Künstliche Herzklappe nach dem Vorbild der Natur
Für ihre Doktorarbeit an der Universität Stuttgart wurde die
IGB-Wissenschaftlerin Dr. Svenja Hinderer am 26. November 2015 mit dem
Deutschen Studienpreis 2016 der Körber-Stiftung ausgezeichnet. Mit einem
modifizierten Elektrospinnverfahren gelang es Hinderer einen
Herzklappenersatz herzustellen, dessen strukturelle, mechanische und
biochemische Eigenschaften denen natürlicher Taschenklappen sehr nahe
kommen – und der im Kinderherzen mitwachsen könnte.
Bisherige künstliche Herzklappen wachsen im Kind nicht mit, sodass
sie regelmäßig und in anspruchsvollen Operationen ausgetauscht werden
müssen. Auch bei Erwachsenen halten sie lediglich etwa 25 Jahre,
verkalken oder erfordern die lebenslange Einnahme antikoagulierender
Medikamente.
Eine alternative künstliche Herzklappe – aus einem
elektrogesponnenen
Hybridmaterial – entwickelte Svenja Hinderer in ihrer Doktorarbeit am
Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP
der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Dr. Katja
Schenke-Layland, die am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB die Abteilung Zellsysteme leitet.
Elektrogesponnenes Trägersubstrat, eingepasst in eine Schweineherzklappe. Fraunhofer IGB
Für ihre
Doktorarbeit »Electrospinning – a suitable method to generate scaffolds
for regenerative medicine applications« wurde Dr. Svenja Hinderer am 26.
November 2015 durch Bundestagspräsident Norbert Lammert mit dem von der
Körber-Stiftung verliehenen Deutschen Studienpreis ausgezeichnet.
»Um ein als Klappenersatz geeignetes Material zu entwickeln, das den
Zellen eine möglichst physiologische Umgebung bietet, habe ich mich in
meiner Doktorarbeit immer wieder am Vorbild der Natur orientiert«,
schildert Hinderer.
Zunächst untersuchte die Chemikerin daher
detailliert die extrazelluläre Matrix nativer Herzklappen hinsichtlich
struktureller, mechanischer und biochemischer Beschaffenheit.
Für die
Herstellung von Trägersubstraten als Klappenmaterial entwickelte sie die
Methode des Elektrospinnens weiter.
Das auf dieser Grundlage
hergestellte Trägersubstrat besteht aus
einem Polymergemisch, einem
UV-vernetzbaren Polyethylenglykol und Polylactid (PLA). »Um die
Eigenschaften des Materials weiter denen nativer Herzklappen
anzugleichen, habe ich zusätzlich Proteoglykane versponnen, die unter
anderem für die Wasserspeicherfähigkeit des Herzklappengewebes
entscheidend sind.
Wichtig war, dass die empfindlichen Proteine dabei
ihre Funktion nicht verlieren«, erklärt Hinderer. Auf diese Weise gelang
es ihr eine Struktur herzustellen, die morphologisch der nativen
extrazellulären Matrix sehr ähnelt.
In einem
Bioreaktor, der – wie das Herz Blut – Wasser durch die Klappen
pumpt, simulierte Hinderer die physiologischen Drücke des Herzens, denen
das Material hervorragend standhält. Videos der Bioreaktorsimulation
zeigen beeindruckend, wie das Material als Herzklappenersatz die
Funktion des Öffnens und Schließens übernimmt.
Ein nächster Test erfolgte in einem von einer Ingenieursstudentin in
ihrem Team entwickelten Bioreaktor, in dem sie das elektrogesponnene
Material zusammen mit
menschlichen Zellen kultivieren konnte. »Aufgrund
der speziellen mechanischen Reize im Reaktor, die denen im Körper
nachempfunden waren,
begannen die Zellen nach bereits sechs Tagen,
elastische Fasern zu bilden.
Das im Bioreaktor gereifte Gewebe wies die
gleichen Strukturen auf wie eine natürliche, sich entwickelnde
Herzklappe«, so Hinderer.
Die elastischen Fasern verleihen Geweben, wie
Haut, Blutgefäßen oder eben Herzklappen ihre Widerstandsfähigkeit und
Elastizität.
Sind sie einmal zerstört, kann der Mensch die Fasern nicht
wiederherstellen.
Sie werden nur während der Embryonalentwicklung und in
den ersten Jahren nach der Geburt gebildet.
Das stabile und zugleich elastische Trägersubstrat ist biokompatibel und
sterilisierbar – und damit für medizinische Anwendungen hervorragend
geeignet.
Zukünftiges Ziel ist es, ein zellfreies Medizinprodukt zu
entwickeln, das sich erst nach dem Einsetzen in den Patienten selbst
besiedelt.
Dazu erforscht Hinderer, die seit Juli 2015 die Gruppe
»Biomaterialien, Bioreaktoren und Bioimaging« am Fraunhofer IGB leitet,
wie die Trägersubstrate mit weiteren spezifischen Proteinen modifiziert
werden können, um gezielt Stammzellen anzulocken. Während die Zellen das
Material besiedeln und eine neue Herzklappe mit ihrer eigenen Matrix
bilden, soll das polymere Grundgerüst später im Körper abgebaut werden.
Dadurch hat es das Potenzial, im Kinderherzen mitzuwachsen. Doch bis es
soweit ist, muss sich die künstliche Herzklappe zunächst im Tiermodell
an Schweinen beweisen.
Svenja Hinderer
Svenja Hinderer studierte von 2005 bis 2010 Angewandte Chemie an der
Hochschule Reutlingen. Im Anschluss promovierte sie am Institut für
Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP der Universität
Stuttgart, in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen-
und Bioverfahrenstechnik IGB. Im Juli 2014 schloss sie ihre Promotion
in der Fakultät 4 Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität
Stuttgart mit Auszeichnung ab. Seit 2014 ist Dr. Svenja Hinderer am
Fraunhofer IGB als wissenschaftliche Mitarbeiterin tätig, seit Juli 2015
leitet sie hier die Gruppe »Biomaterialien, Bioreaktoren und
Bioimaging«. Zudem lehrt sie an der Universitätsfrauenklinik Tübingen im
Studiengang Medizintechnik.
Der Deutsche Studienpreis
Aus über 418 Bewerbungen nominierte die Jury des Deutschen
Studienpreises dieses Jahr 27 junge Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler in den drei Sektionen »Geisteswissenschaften«,
»Sozialwissenschaften« sowie »Natur- und Technikwissenschaften«. Dr.
Svenja Hinderer schaffte es im Bereich »Natur- und
Technikwissenschaften« auf den begehrten, mit 25 000 Euro dotierten
Spitzenplatz. Kriterium für die Auswahl der Preisträger waren neben der
fachwissenschaftlichen Exzellenz vor allem die spezifische
gesellschaftliche Bedeutung der Forschungsbeiträge. Gefragt war dabei
weniger die ökonomische Verwertbarkeit, sondern eher der
gesamtgesellschaftliche Nutzen wissenschaftlicher Erkenntnis.
Medizin am Abend Berlin DirektKontakt
www.medizin-am-abend.blogspot.com
