In dem Verbundprojekt BioPACE entwickelt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) gemeinsam mit vier Partnern einen biohybriden Herzschrittmacher. Ziel dieses neuen Ansatzes ist die schonendere Behandlung von Herzrhythmusstörungen durch eine gezielte optische Stimulation des Herzmuskels und anderen Muskelgruppen.
Die Erforschung von biohybriden Implantaten zur lichtinduzierten Herzerregung, -defibrillation und Skelettmuskelstimulation ist das Ziel dieses Projekts. Um dieses innovative therapeutische Konzept umzusetzen, führen die Partner neueste Erkenntnisse aus der Photonik, Optogenetik, Nanotechnologie und Medizin zusammen.
Sanfter und effizienter durch neue Technologie
Die neue Technologie verfolgt einen innovativen Ansatz zur Anregung der Herzmuskelkontraktion: Während herkömmliche Herzschrittmacher elektrische Impulse in das Herz geben, sollen in dem neuen Verfahren optische Impulse eingesetzt werden. So wird der Herzmuskel nicht mittels einer elektrischen Stimulation, sondern mit Licht zur Kontraktion gebracht.
Eine weitere Neuerung ist das Material: Der Schrittmacher wird zum Teil aus biologischem Material bestehen. Durch die Fertigung des Schrittmachers aus patienteneigenen Zellen können Abstoßungsreaktionen des Körpers minimiert werden. In diese in ein Hydrogel eingebetteten Zellen werden sogenannte aufwärtskonvertierende Nanopartikel (upconverting nanoparticles, UCNP) eingebracht. Diese sind notwendig, um eine Kontraktion als Reaktion auf die optische Stimulation hervorzurufen. Der Impuls wird an die umliegenden Zellen weitergegeben, wodurch der Herzmuskel sich zusammenzieht.
Weitere Anwendungsgebiete sind geplant
Mit diesem veränderten Ansatz wird nicht nur eine verbesserte Behandlung von Herzrhythmusstörungen möglich. In der Folge soll außerdem ein biohybrider Defibrillator entwickelt werden. Dadurch könnten Langzeitfolgen der Behandlung – wie zum Beispiel Vernarbungen des Gewebes – verringert oder ganz vermieden werden.
Das Projekt hat eine ungewöhnlich kurze Entwicklungszeit, weil die Partner in ihrem jeweiligen Teilvorhaben auf bereits erzielte Ergebnisse zurückgreifen können. Die Herausforderung liegt nunmehr darin, diese zu verbinden und für den Einsatz als Herzschrittmacher vorzubereiten. Die LZH-Forscherinnen und -Forscher konzentrieren sich dabei auf die Einkopplung und Verteilung des Lichts auf den Herzmuskel.
Breites Konsortium für interdisziplinäre Zusammenarbeit
Die Koordination des Verbundprojektes „Biohybrids for Photon-Activated Cardiac Excitation“ (BioPACE) übernimmt das LZH. Die Medizinische Hochschule Hannover (MHH) stellt die Expertise in der Zellherstellung und Implementation zur Verfügung. Von der LifePhotonic GmbH wird die benötigte Lichtleitfasertechnologie und von der Centrum für Angewandte Nanotechnologie CAN GmbH die konvertierenden Nanopartikeln (wie UCNPs oder Quantum Dots) beigesteuert. Mit den Anwendungsmöglichkeiten am Herzmuskel und der Skelettmuskulatur beschäftigt sich das Universitätsklinikum Bonn.
Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative „Photonik Plus – Neue optische Basistechnologien“ für eine Laufzeit von drei Jahren gefördert.