Biohybridlungen implantierbar machen

Verschiedene Krankheiten können sich unterschiedlich stark auf die Lunge auswirken. Ist die Lunge allerdings so schwer geschädigt, dass auch künstliche Beatmung nicht mehr hilft, kommt eine künstliche Lunge, die ECMO, zum Einsatz. Noch sind künstliche Lungen allerdings nur außerhalb des Körpers nutzbar, da Implantationen noch nicht möglich sind.

Dr. Bettina Wiegmann forscht zum Thema künstliche Lunge und erzählt im Interview mit MEDICA.de, warum ECMOs noch nicht in den Körper implantierbar sind und wie die Forschung dieses Problem lösen will.

Frau Dr. Wiegmann, wie funktioniert die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO)?

Dr. Bettina Wiegmann: Der Name sagt es im Grunde schon: Extrakorporal bedeutet "außerhalb des Körpers" und Membranoxygenierung, dass über eine Membran ein Gasaustausch stattfindet.

Die ECMO wird für Patienten verwendet, die "schlecht Luft bekommen". Bei diesen Patienten wird zunächst die maschinelle Beatmung initiiert, reicht diese nicht mehr aus, um dem Patienten genügend Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und Kohlendioxid abzuatmen, wird die ECMO implantiert. Konkret heißt das, dass über daumendicke Kanülen ein Gefäßzugang, meist in der Leistenregion, hergestellt wird. Dort wird das Blut dann aus dem Patienten in die ECMO gepumpt, die aus einer Art Filtersystem aus Hohlfasermembranen besteht. Diese Hohlfasermembranen kann man sich wie viele kleine dünne Strohhalme vorstellen, die kreuz und quer verpackt sind. Durch diese Strohhalme wird das Gas zugegeben, und das Blut fließt außen an den Strohhalmen vorbei. Und dann funktioniert es wie in der Lunge: Über die Diffusion kommt es zum Gasaustausch, das heißt das Blut wird mit Sauerstoff angereichert und Kohlendioxid wird entzogen. 

In welchen Fällen ist die ECMO notwendig?

Wiegmann: Dass die Lunge eines Patienten nicht mehr richtig arbeitet, kann verschiedene Ursachen haben, meistens sind es Lungenerkrankungen im Endstadium. Wenn die Patienten über ein Beatmungsgerät beatmet werden, setzt das immer noch eine funktionsfähige Lunge voraus. Wenn die Lunge allerdings nicht mehr funktionsfähig ist und den Gasaustausch nicht mehr gewährleisten kann, dann wird die ECMO eingesetzt – das kann auch bei Covid-19 der Fall sein.

Vor welchen Problemen steht die ECMO zum jetzigen Stand der Technik noch?

Wiegmann: Das Hauptproblem ist, dass die ECMO aus verschiedenen Kunststoffen besteht und daher nicht hämokompatibel, also blutverträglich ist und die Patienten antikoaguliert werden müssen. Das Gerinnungssystem wird dabei außer Kraft gesetzt, damit es nicht zur Thrombenbildung kommt. Man kann das aber nicht vermeiden, denn das Blut zirkuliert an den Hohlfasermembranen und den Schläuchen entlang und initiiert Fremdkörperreaktionen. Eine dieser Reaktionen ist, dass sich Thromben bilden, die der ECMO zusetzen und den Gasaustausch verschlechtern oder unmöglich machen. Die strikte Antikoagulation birgt zusätzlich die Gefahr schwerwiegender Blutungskomplikationen, wie beispielsweise Hirnblutungen.

Ein anderes Problem ist, dass wir zum jetzigen Zeitpunkt Kanülen in die Patienten einbringen müssen, die daumendick sind. Das geschieht meistens über die Leiste, weshalb Patienten in der Regel sediert sind und beatmet werden müssen.

Mit welchem Ansatz wollen Sie diese Probleme lösen? 

Wiegmann:  Wir wollen auf alle künstlichen Oberflächen, die diese Fremdkörperreaktionen, wie die Thrombenbildung, initiieren, Endothelzellen aufbringen – also auf die Hohlfasermembranen und Schläuche. Endothelzellen kleiden im menschlichen Körper die Gefäßinnenwände aus und haben die Eigenschaft, hämokompatibel zu sein, sodass es zu keiner Thrombenbildung kommen kann. Da die körpereigenen Endothelzellen aber nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung stehen, müssen wir auf körperfremde Endothelzellen zurückgreifen, die wir jedoch genetisch so modifizieren, dass sie vom Immunsystem als körpereigen wahrgenommen und daher nicht abgestoßen werden. Eine andere Möglichkeit der Endothelzellquelle sind sogenannte induzierte, pluripotente Stammzellen, aus denen wir Endothelzellen herstellen. Zusammengefasst biologisieren wir die Kunststoffoberflächen mit den Endothelzellen, sodass die sogenannte Biohybridlunge entsteht, die lebenslang hält und bei der die Patienten nicht mehr antikoaguliert werden müssten.

Das Ziel ist, Patienten eine künstliche Lunge, die Biohybridlunge, zu implantieren. Welche Schritte müssen dafür noch gegangen werden?

Wiegmann: Zum einen müssen die Endothelzellen konstant auf die Hohlfasermembranen aufgebracht werden. Wenn man die Biohybridlunge implantieren würde, würden da circa vier bis sechs Liter pro Minute durchfließen. Diesem Fluss müssen die Endothelzellen standhalten.

Auf der anderen Seite ist es so, dass das ECMO-System momentan eine Größe von circa 15x15x5 Zentimetern hat – das kann man natürlich schlecht in den Körper implantieren, sodass hier noch eine Miniaturisierung vorgenommen werden muss. Die sollte dann bestenfalls patientenindividuell erfolgen, da je nach Art und Stadium der Erkrankung verschieden große Gasaustauschflächen für die jeweilige Unterstützung der Patientenlunge notwendig sind. Denn durch die Membrangröße können wir regulieren, wie leistungsfähig die Biohybridlunge wird. Bei der Miniaturisierung sollte man also schon die Individualisierung im Blick haben. 

Was denken Sie, wie sich die Forschung zu künstlichen Organen in der Zukunft weiterentwickeln wird?

Wiegmann: Das ist eine spannende Frage. Es gibt parallele Arbeiten: Wir versuchen mit dem sogenannten Tissue Engineering, bestehende Oberflächen mit Endothelzellen zu besiedeln. Es gibt auch den Ansatz, ganze Organe im Labor zu züchten. Und dann gibt es noch die Kombination der beiden Ansätze: Man kann beispielsweise eine Lunge nehmen und die Zellen runterwaschen, sodass nur noch das Lungengerüst übrigbleibt, und anschließend neue Zellen aufbringen.

Unabhängig vom Forschungsansatz muss sichergestellt sein, dass die verschiedenen Zellen einer Lunge in einer ausreichenden Menge vorhanden sind. Denn zum jetzigen Zeitpunkt ist es nicht möglich, dem Patienten diese Zellen zu entnehmen und im Labor hochzuzüchten, sondern es muss körperfremdes Material verwendet und dafür gesorgt werden, dass dieses nicht als solches erkannt wird. Andernfalls wäre man wieder an dem Punkt, an dem wir bei der Organtransplantation immer noch sind: Der Patient muss Medikamente nehmen, damit das Immunsystem die körperfremden Zellen akzeptiert. Das wollen wir natürlich vermeiden, denn wir wollen eine echte Alternative zur Transplantation bieten.

Wir werden sehen, welches dieser Forschungsfelder das erfolgreichste sein wird – ich denke, es wird eine Kombination aus allem sein.