Wissenschaftler entwickeln kundenspezifische 3D-gedruckte Nachbildungen menschlicher Herzen – in dem Bestreben, die lebensrettende Technologie zu verbessern, die jedes Jahr bei Tausenden von Patienten eingesetzt wird.
Die Modelle ahmen den Blutfluss und den Druck in den erkrankten Herzen der Patienten nach und ermöglichen es Chirurgen, die Verfahren zum Austausch von Klappen zu verbessern und die beste Passform auszuwählen.
Ersatzherzklappen werden verwendet, wenn die natürliche Klappe einer Person erkrankt oder beschädigt ist, wodurch das Herz nicht mehr so funktioniert, wie es sollte.
Die Vermeidung potenzieller Leckagen und Ausfälle könnte dazu führen, dass sich Patienten im Laufe ihres Lebens nicht mehr mehreren riskanten Herzoperationen unterziehen müssen.
Der Markt für Herzklappenprothesen hatte im Jahr 2021 einen Wert von fast 7 Milliarden US-Dollar, wird sich aber angesichts der alternden Bevölkerung in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich mehr als verdoppeln.
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben ein 3D-gedrucktes Herz geschaffen, das sie wie ein echtes Organ pumpen lassen können. Oben abgebildet ist das Herz, das auf einem Computer entwickelt wird
Wissenschaftler sagten, das Herz könnte verwendet werden, um zu testen, wie Klappen funktionieren würden, die Patienten mit Aortenstenose implantiert werden
Dies ist nur der neueste medizinische Fortschritt, der durch den 3D-Druck erzielt wurde. Im Dezember verwendeten Wissenschaftler des National Eye Institute in Maryland die Technik und Stammzellen, um Augengewebe zu erzeugen.
Experten des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der Cleveland Clinic und anderer Institutionen entwickelten die künstlichen Herzen unter Verwendung von Dosen von 15 Patienten mit Aortenstenose, einer Verengung der Herzklappen, die den Blutfluss behindert.
Das Herz eines jeden Menschen enthält vier Klappen, die verhindern, dass das Blut bei jedem Schlag zurückfließt, wodurch eine konstante Versorgung mit Sauerstoff und Nährstoffen ermöglicht wird.
Aber bei einer Aortenstenose verengt sich die Klappe zwischen der unteren linken Kammer – dem Ventrikel – und der Hauptarterie – der Aorta – und öffnet sich nicht vollständig.
Dadurch muss der linke Ventrikel härter arbeiten, was Brustschmerzen verursacht und auch dazu führen kann, dass sauerstoffreiches Blut zurück in die Lunge fließt.
Etwa 1,5 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten leiden an Aortenstenose, wobei vier Fünftel derjenigen, die keine Behandlung erhalten, innerhalb von fünf Jahren sterben.
Die Patienten erhalten derzeit zwei verschiedene Ventile: Entweder das selbstexpandierende Evolut R – das sich vergrößert, um die Lücke dort zu füllen, wo sich das Ventil befindet, wenn es erhitzt wird – oder das SAPIEN 3 – das mithilfe eines Ballons anstelle des beschädigten Ventils eingesetzt wird.
Mediziner am MIT hoffen, dass ihre Herznachbildung für jeden Patienten angefertigt werden könnte, um zu testen, welche Klappe am besten funktioniert.
Es könnte auch verwendet werden, um bei der Behandlung anderer Patienten zu helfen, sagten sie, wie solche mit angeborenen Herzfehlern, einem oder mehreren Problemen mit der Herzstruktur, die seit der Geburt bestehen.
Ebenso könnte das Gerät in der Industrie eingesetzt werden, um bei der Entwicklung neuer Behandlungen zu helfen, und in Hochschulen, um zukünftige Ärzte auszubilden.
Dr. Luca Rosalia, ein Doktorand im MIT-Harvard-Programm, sagte gegenüber DailyMail.com, dass die Herstellung der Replik etwa einen Tag dauert. Über die Kosten war er sich nicht im Klaren.
Das Modell, das diese Woche in Science Robotics vorgestellt wurde, wurde anhand von Bildern von 15 Patienten mit Aortenstenose entwickelt.
Die Bilder wurden mit Polymertinte in ein dreidimensionales Computermodell ihres linken Ventrikels und ihrer Aorta umgewandelt.
Es wurden auch elastische Folien angebracht, damit sich die Replik ausdehnen und zusammenziehen kann, genau wie ein echtes Herz, und ein starres Skelett wurde angebracht, um sicherzustellen, dass es seine Form behält.
Die Wissenschaftler verwendeten die Maschinen auch, um ein 3D-Modell der Aorten des Patienten zu drucken. Dieses Modell enthielt das Ventil, das verengt oder teilweise geschlossen war.
Einmal erstellt, wurde das Herz mit einem System verbunden, das Luft ein- und auspumpt und so den Blutfluss bei einem Patienten mit Aortenstenose nachahmt.
Anschließend testeten sie die Anwendung verschiedener Ventile am Modell, um zu messen, wie sich der Luftstrom – ein Ersatz für Blut – veränderte.
Dieses Bild zeigt das Modell mit Schläuchen, die zum Ein- und Auspumpen von Luft angebracht sind – was Blut nachahmt. Die Ärzte sagten, es fing an, genau wie ein echtes Herz zu arbeiten. Das Modell zeigt einen linken Ventrikel und eine Aorta
Oben abgebildet ist das Modellherz, das von einem der Forscher gehalten wird
Auf die Frage, ob dieses Modell die Wissenschaftler der Herstellung eines 3D-Herzens näher gebracht habe, das in Patienten transplantiert werden könne, sagte Herr Rosalia gegenüber DailyMail.com, dass dies der Fall sei.
“Einige der weichen Roboterhüllenelemente könnten zur Unterstützung der Herzfunktion bei Patienten mit Aortenstenose verwendet werden”, fügte er hinzu. ‘[But] unsere Arbeit ist präklinisch.“
“Dies ist ein Modell, aber wir stellen uns vor, dass es für jeden Patienten gebaut wird, der hereinkommt”, um die Auswirkungen des Ersatzes der Aortenklappe im Herzen zu testen.
“Es besteht ein großer Bedarf an einem patientenspezifischen Modell, das auch Fälle simulieren kann, in denen eine Anomalie in der Morphologie der Aortenklappe vorliegt”, sagte er.
„Wir haben Patienten, bei denen es mit zunehmendem Alter enger wird, und andere, die mit angeborenen Defekten geboren werden [who could benefit].’
Co-Autorin Dr. Ellen Roche vom Massachusetts General Hospital sagte: „Es war sehr ermutigend, die Flüsse und Drücke der Patienten anpassen zu können.
„Wir drucken nicht nur die Anatomie des Herzens, sondern replizieren auch seine Mechanik und Physiologie. Das ist der Teil, auf den wir uns freuen.’
Wenn Ventile während des Pumpens implantiert wurden, stellten die Forscher fest, dass sie ähnlich verbesserte Flüsse erzeugten, wie sie bei Patienten nach ihren Eingriffen beobachtet wurden.
Co-Autor Dr. Christopher Nguyen von der Cleveland Clinic in Ohio sagte: „Die Patienten würden ihre Bildgebung fertig bekommen, was sie sowieso tun, und wir würden das verwenden, um dieses System herzustellen – idealerweise innerhalb eines Tages.
“Sobald es eingerichtet und in Betrieb ist, könnten Kliniker verschiedene Klappentypen und -größen testen und sehen, welche am besten funktioniert – und diese dann für die Implantation verwenden.”