Eine zelluläre Stromversorgung für Schrittmacher
Das menschliche Herz schlägt dank einer speziellen Gruppe kardialer Zellen oder kardialer Muskelfasern, welche als Atrioventrikularknoten bezeichnet wird, rhythmisch. Der Atrioventrikularknoten bestimmt die Schlagzahl. Herzschrittmacher sind mit Batterien ausgestattet, die derzeit alle fünf bis sieben Jahre durch eine invasive, größere Operation ausgetauscht werden müssen. Eine Vermeidung dieser Prozedur in Anbetracht einer alternden Bevölkerung war der Impetus für das von der EU finanzierte Projekt „The development of an implantable cellular power supply based on rabbit cardiac cells“ (RABBITCELLPSU). Das Team machte von der Energie lebender kardialer Myozyten (Muskelzellen) Gebrauch, um eine neue Batterienart zu entwerfen. Bei kardialen Myozyten handelt es sich um lange Zellen mit einer sehr hochorganisierten Struktur. Um die Zellen auf spezifische Kanalregionen einzugrenzen, wurde ein Mikrofluidik-Gerät mit gut definierter Nanostruktur hergestellt. Prüfer verwendeten zunächst kardiale Primärzellen, um das System zu testen. Es bestätigte sich die wesentliche Bedeutung der topographischen Eigenschaften für die Homogenität und Schlagperiodizität von Zellgruppen. Das Team verwendete daraufhin elektrogesponnene Nanofasern mit Kollagen als Gewebeträger, um das Gewebewachstum in bestimmte Richtungen anzuregen. Die Wissenschaftler entwickelten danach Möglichkeiten, um induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) dazu zu bewegen, sich in kardiale Myozyten auszubilden. iPSC sind adulte Stammzellen, die genetisch in einen Zustand ähnlich embryonaler Stammzellen umprogrammiert wurden. Sie fungieren als leistungsfähiges Instrument, um adulte Zellen zu „entdifferenzieren“ und daraufhin nahezu ideal passendes Gewebe herzustellen, um eine Abstoßung durch das Immunsystem zu minimieren. Über die Mikrofluidik-Geräte oder Träger wurde gezeigt, dass die entstehenden kardialen Myozyten funktionales Gewebe bilden. Eine Nutzung der Myozyten zur Stromerzeugung über eine piezoelektrische Reaktion ist der nächste Schritt. Zinkoxid-Nanodrähte und elektrogesponnene Nanofasern aus Polyvinylidenfluorid oder PVDF werden jeweils untersucht, da diese als vielversprechende piezoelektrische Materialien gelten. Die notwendige Grundlagenarbeit zur Herstellung der erforderlichen zellularen und elektrischen Komponenten wurde zusammen mit relevanten Test- und Messsystemen abgeschlossen. Das Labor untersucht nun routinemäßig kardiale Myozyten und insbesondere deren Nutzen zur Stromerzeugung. Bei der Fertigstellung wird die zelluläre Batterie für die Lebensqualität von Millionen von Menschen, die auf die Implantierung eines künstlichen Herzschrittmachers angewiesen sind, eine wesentliche Rolle spielen.
Schlüsselbegriffe
Zelluläre Stromversorgung, Schrittmacher, piezoelektrisch, kardiale Zellen, kardiale Myozyten