Ein neuer Weg, ein gebrochenes Herz zu heilen

Das "Therepi" -Gerät wird direkt an beschädigtes Herz angebracht, wodurch die Abgabe von Medikamenten aus einem Port unter der Haut eines Patienten zur Verstärkung der Herzfunktion ermöglicht wird.
Mary Beth O'Leary | Maschinenbau Abteilung
12. Juni 2018
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Nachdem ein Patient einen Herzinfarkt erlitten hat, beginnt eine Kaskade von Ereignissen, die zu Herzversagen führen. Eine Beschädigung des Herzbereichs, in dem ein Blutgefäß blockiert war, führt zu Narbengewebe. Als Reaktion auf Narben wird das Herz umgestalten, um zu kompensieren. Dieser Prozess endet oft im ventrikulären oder Klappenversagen.
Ein Team von Forschern hofft, das Fortschreiten von Herzinfarkt zu Herzinsuffizienz mit einem kleinen Gerät namens "Therepi" zu stoppen. Das Gerät enthält ein Reservoir, das direkt an das beschädigte Herzgewebe ansetzt. Eine Nachfüllleitung verbindet den Behälter mit einem Anschluss auf oder unter der Haut des Patienten, wo Therapien entweder vom Patienten oder von einem medizinischen Fachpersonal injiziert werden können.
Eine neue Studie in Nature Biomedical Engineering mit einem Team von Forschern vom MIT, der Harvard University, dem Royal College of Surgeons in Irland, dem Trinity College Dublin, dem Advanced Materials und BioEngineering Research (AMBER) Center und der National University of Ireland in Galway erläutert, wie Therepi es kann verwendet werden, um die Herzfunktion wiederherzustellen.
"Nach einem Herzinfarkt könnten wir mit diesem Gerät eine Therapie durchführen, die verhindert, dass ein Patient an einer Herzinsuffizienz leidet", erklärt Ellen Roche, Mitautorin der Studie und Assistenzprofessorin am MIT-Department von Mechanisch Engineering und Institut für Medizintechnik und Wissenschaft. "Wenn der Patient bereits einen gewissen Grad an Herzinsuffizienz hat, können wir das Gerät verwenden, um die Progression zu dämpfen."
Zwei der derzeit am häufigsten verwendeten Systeme zur Bereitstellung von Therapien zur Vorbeugung von Herzinsuffizienz sind ineffizient und invasiv. In einer Methode werden Medikamente systemisch verabreicht, anstatt direkt an die Stelle des Schadens verabreicht zu werden. Die Menge der verwendeten Medikamente muss begrenzt werden, um toxische Nebenwirkungen zu vermeiden, und oft erreicht nur eine geringe Menge das geschädigte Herzgewebe.
"Aus pharmakologischer Sicht ist es ein großes Problem, dass man etwas injiziert, das nicht lange genug am beschädigten Gewebe bleibt", sagt William Whyte, Mitautor und Doktorand bei Trinity College Dublin und AMBER.
Die alternative Methode beinhaltet ein invasives Verfahren zur direkten Injektion von Therapien in den Herzmuskel. Da mehrere Dosen benötigt werden, erfordert dies mehrere invasive Operationen.
Therepi adressiert die Probleme mit den aktuellen Medikamentenverabreichungsmethoden, indem lokalisierte, nicht-invasive Therapien so oft wie nötig verabreicht werden. Das Reservoir des Geräts kann in nur einem chirurgischen Eingriff auf das Herz implantiert werden.
Lokalisierte, maßgeschneiderte Therapien
Das Reservoir selbst birgt ein erstaunliches Potenzial für die Arzneimittelabgabe. Das Reservoir, das aus einem Polymer auf Gelatinebasis aufgebaut ist, hat eine halbkugelförmige Gestalt mit einem flachen Boden, der an dem erkrankten Gewebe befestigt ist. Der flache Boden besteht aus einer semipermeablen Membran, die so eingestellt werden kann, dass mehr Medikamente oder größere Materialien direkt in das Herzgewebe gelangen.
"Das Material Wir haben das Reservoir gebaut. Wir brauchten, dass es sich wie ein Schwamm verhält, damit es die Therapie genau dort hält, wo Sie es brauchen ", fügt Whyte hinzu. "Das ist schwer zu erreichen, da das Herz ständig quetscht und sich bewegt."
Das Reservoir bietet eine einzigartige Möglichkeit zur Verabreichung von Stammzellentherapien. Es fungiert als eine Zellfabrik. Anstatt durch die Membran in das Herz zu gelangen, bleiben die Zellen innerhalb des Reservoirs, wo sie parakrine Faktoren produzieren, die Heilung im beschädigten Herzgewebe fördern.
In einem Rattenmodell wurde gezeigt, dass das Gerät die Herzfunktion nach einem Herzinfarkt wirksam verbessert. Die Forscher verabreichten einem beschädigten Herz über einen Zeitraum von vier Wochen mehrere Dosen von Zellen. Anschließend analysierten sie die hämodynamischen Veränderungen im Gewebe mit einem Druckvolumenkatheter und nutzten Echokardiographie, um funktionelle Veränderungen über die Zeit zu vergleichen."Wir haben gesehen, dass die Gruppen, die unser Gerät hatten, eine Herzfunktion wiedererlangt haben", erklärt Claudia Varela, Doktorandin am Harvard-MIT-Programm für Gesundheitswissenschaften und Technologie.
Die Herzen, die mehrere Dosierungen von Zellen über Therapie erhielten, hatten mehr Herzfunktion als diejenigen, die nur eine einzige Injektion oder überhaupt keine Behandlung erhielten.
Die optimale Dosis finden
Die Möglichkeiten von Therepi gehen über die Behandlung von Herzkrankheiten hinaus. Da es die Möglichkeit bietet, mehrere lokalisierte Dosen zu verabreichen, könnte es als ein Werkzeug verwendet werden, um die genaue Dosierung zu identifizieren, die für eine Vielzahl von Bedingungen geeignet ist.
"Wir hoffen, das Gerät selbst als Forschungsinstrument nutzen zu können, um mehr über das optimale Medikamentenbeladungsregime zu erfahren", sagt Roche.
Zum ersten Mal könnten Forscher die Möglichkeit haben, mehrere Nachfüllungen lokalisierter Therapien im Zeitverlauf zu verfolgen, um die besten Dosierungsintervalle und Dosismengen zu ermitteln.
"Als ausgebildete Apothekerin bin ich sehr aufgeregt, zu untersuchen, was die beste Dosis ist, wann die beste Zeit ist, nach einem Herzinfarkt zu liefern und wie viele Dosen benötigt werden, um den gewünschten therapeutischen Effekt zu erzielen", fügt Whyte hinzu.
Während sich das Team darauf konzentrierte, wie Therepi die Auswirkungen von Herzerkrankungen lindern kann, könnte das Gerät auch in anderen Teilen des Körpers eingesetzt werden. Durch die Optimierung des Designs und die Anpassung der Materialien für den Bau des Reservoirs konnte Therepi für eine Vielzahl von Krankheiten und Gesundheitsproblemen eingesetzt werden.
"Das Gerät ist wirklich eine Plattform, die auf verschiedene Organsysteme und unterschiedliche Bedingungen zugeschnitten werden kann", sagt Varela. "Es ist nur ein großartiges Beispiel dafür, wie intersektionale Forschung, die sowohl Geräte als auch biologische Therapien betrachtet, uns dabei helfen kann, neue Wege zur Behandlung von Krankheiten zu finden."
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