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Lebensretter im Miniaturformat

Patent für MiniHLM mit Unterstützung der PROvendis eingereicht

Operationen am offenen Herzen unter Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine (HLM) sind in der Herzchirurgie heute an der Tagesordnung. Bei Früh- und Neugeborenen stellt der Eingriff eine besondere Herausforderung dar:

Die Maschinen sind nicht optimal an die Bedingungen bei der Operation von Kinder- und Säuglingsherzen angepasst – schwerwiegende postoperative Komplikationen können die Folge sein. An der RWTH Aachen haben die Herzchirurgin Dr. Heike Schnöring und die Diplom-Ingenieurin Jutta Arens eine völlig neuartige MiniHLM konzipiert, mit der die Risiken für die Kinder minimiert werden können.

Ein Herz so groß wie eine Walnuss

99 von 100 Kindern werden mit einem gesunden Herzen geboren. Eines von hundert jedoch kommt mit einem angeborenen Herzfehler oder Gefäßmissbildungen zur Welt. Dabei gedeihen Babys im Mutterleib selbst mit schweren Herzfehlern oft noch prächtig. Doch nach der Geburt werden früher oder später die Symptome offensichtlich. Mit einer Operation kann vielen Neugeborenen heute geholfen werden. Etwa 150 Kinder werden jedes Jahr im Neuen Klinikum der RWTH Aachen am Herzen operiert. Für Dr. Heike Schnöring, Oberärztin der Kinderherzchirurgie, handelt es sich dennoch nicht um Routine-Eingriffe. „Das Herz eines Neugeborenen ist nicht größer als eine Walnuss und schlägt sehr schnell“, erklärt sie. Die Operateure tragen daher meist eine Lupenbrille und brauchen zudem eine sehr ruhige Hand.

„Die Kompetenzen haben sich bei unserem Projekt wunderbar ergänzt. Allein hätte keine von uns die MiniHLM realisieren können. Dazu kommt der Vorteil der räumlichen Nähe aller Beteiligten“, sind sich beide Erfinderinnen einig.
links: Dr. Heike Schnöring, Oberärztin der Kinderherzchirurgie am Universitätsklinikum in Aachen und rechts: Dipl.-Ing. Jutta Arens, Doktorandin am Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik im Helmholtz-Institut Aachen

Das Leben hängt an einer Maschine

Bei vielen Eingriffen am offenen Herzen muss das Herz während einer Operation blutleer sein und still stehen. Wie der Name schon sagt, ersetzt die Herz-Lungen-Maschine (HLM) die Funktion von Herz und Lungen. Sie wird gesteuert und überwacht von einem Kardiotechniker. Für die Dauer des Eingriffs übernimmt die Maschine die Aufgabe, den Blutkreislauf aufrechtzuerhalten und den Gasaustausch sicherzustellen. Diplom-Ingenieurin Arens vom Aachener Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik erläutert eines der Probleme: „Die HLM mit all ihren Gefäßen und Schläuchen darf keine Luft mehr enthalten. Sie muss mit Flüssigkeit vorgefüllt werden.“

Zur Einschätzung der Verhältnisse sollte man wissen, dass der Mensch etwa 80 ml Blut pro Kilogramm Körpergewicht hat, ein Neugeborenes also etwa 250 bis 300 ml, kleine Frühgeborene sogar nur 85 ml Blut. Die kleinsten HLM-Systeme haben dagegen ein Füllvolumen von etwa 250 ml. Fremdblut und Infusionslösungen müssen die fehlende Menge ersetzen, damit die HLM zuverlässig arbeiten kann.

Zu viel Kunststoff für zu wenig Blut

Durch diese Blutverdünnung wird der kleine Organismus enorm belastet. Was aber noch schlimmer zu sein scheint, ist der Kontakt des Blutes mit den Kunststoffoberflächen in den HLM-Schläuchen, -Filtern und -Gefäßen. „Neugeborene können auf den Fremdkörperkontakt mit einer entzündlichen Reaktion des gesamten Körpers reagieren“, ergänzt Frau Dr. Schnöring. Auch können die roten Blutkörperchen und die Blutplättchen durch den Kontakt mit den Kunststoffoberflächen geschädigt und zerstört werden. Im schlimmsten Fall besteht Lebensgefahr durch Multi-Organversagen. „Bei Säuglingen ist das Verhältnis von Blutvolumen zur Fremdmaterial-Oberfläche viel ungünstiger als bei Erwachsenen. Diesem Problem sind wir mit einer völlig neuen Konstruktion begegnet“, erklärt Jutta Arens.

Die kompakte MiniHLM verfügt über weniger als 125 ml Füllvolumen. Sie wird direkt am OP-Tisch befestigt, so dass die Kanülierungsschläuche ebenfalls auf ein Minimum reduziert werden können.

Verkleinerung allein reicht nicht

Die MiniHLM ist zwar mit ähnlichen Komponenten wie eine große HLM ausgestattet, doch die Anordnung und Integration der Systeme ist einzigartig. „Es reicht nicht aus, einfach nur die einzelnen Elemente zu verkleinern. Wir mussten einen vollkommen anderen Aufbau zugrunde legen. Unsere MiniHLM hat mittlerweile weniger als 125 ml Füllvolumen!“ ergänzt die Diplom-Ingenieurin. Eine venöse Kanüle leitet sauerstoffarmes Blut über einen Schlauch in ein Auffanggefäß, das so genannte Kardiotomie-Reservoir. In diesem ist ein Wärmetauscher integriert, der das Blut kühlt und damit die Körpertemperatur der kleinen Patienten auf die Zieltemperatur absenken kann. Diesen Trick wenden auch Tiere an, die Winterschlaf halten und monatelang keine Nahrung aufnehmen: Der gesamte Stoffwechsel wird so verlangsamt, dass die Organe, insbesondere das Gehirn, vor eventuellem Sauerstoffmangel geschützt sind.Vom Reservoir wird das Blut in den Oxygenator gepumpt, in dem ein Gasaustausch wie in den menschlichen Lungen stattfindet: Sauerstoff wird zugeführt und Kohlendioxid abgegeben. Das dunkle, blauviolette venöse Blut färbt sich dabei sichtbar hellrot. Das sauerstoffreiche Blut fließt dann über eine arterielle Kanüle in den Körper zurück. Weil die MiniHLM, anders als herkömmliche Maschinen, direkt am OP-Tisch befestigt wird, sind die Kanülierungsschläuche ebenfalls auf ein Minimum reduziert.

MiniHLM erfolgreich im Tierversuch

Derzeit testen die Aachener Wissenschaftler ihre Erfindung im Tierversuch. „Es ist ein Irrtum, zu glauben, im Kaninchen sei alles etwas einfacher als beim Menschen“, stellt Frau Dr. Schnöring richtig. „Die Tiere sind stressanfälliger, die Kaninchenherzen reagieren sensibler und das Blut gerinnt schneller.“ Trotz der zusätzlichen Schwierigkeiten verliefen die Tests erfolgreich, so dass im August das Patent für die MiniHLM mit Unterstützung der Provendis beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht wurde. Die Fördergemeinschaft Deutsche Kinderherzzentren e.V. hat einen Großteil der Kosten für die Entwicklung der MiniHLM übernommen. „Sobald ein industriell gefertigtes Produkt zur Verfügung steht, sind klinische Studien geplant. Deshalb sind wir auf der Suche nach Unternehmen, die an einer Kooperation interessiert sind“, so Frau Dipl.-Ing. Arens. Für die Industrie ein zusätzlicher Vorteil der MiniHLM: Das System ist trotz seiner kompakten Bauweise leicht skalierbar und muss daher nicht auf Neu- und Frühgeborene beschränkt bleiben.

Nächster Termin

EU-Beihilfenrecht im Hochschul- und Forschungsbereich

14. Mai 2019, PROvendis GmbH, Mülheim an der Ruhr

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