ProBioMed: Modellbasierte Regelung der biohybriden Implantatreifung

Ein Verbund aus Wissenschaftler:innen der Medizin, Biologie, Ingenieur- und Materialwissenschaften aus vier Fakultäten der RWTH Aachen University erforscht das Reifungsverhalten von künstlichen Herzklappen mit körpereigenen Zellen und Gewebe im Bioreaktor. Das Ziel des Projektes ist die Herstellung perfekt biokompatibler und dauerhaft funktionsfähiger Herzklappen.

Projektstart: 01.07.2018

Laufzeit: 3 Jahre + 2 Jahre (Start 01.07.2022)

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Ziele und Produkte:
Herzklappen mit „biologischer Kompetenz“

Eine defekte Herzklappe ist eine häufige Krankheitsursache. Als Ersatz dienen heute künstliche Herzklappen, die entweder eine lebenslange Blutverdünnung erfordern oder zur Verkalkung neigen, was letztendlich einen erneuten Austausch erfordert.

Von der biohybriden Herzklappe erhoffen sich die Forscher:innen eine deutlich höhere Langzeitstabilität und eine bessere Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Bedingungen im Körper: Sie soll biologische Kompetenz besitzen. Langfristig soll mit der hier verwendeten Methodik eine neue Generation von biohybriden Implantaten geschaffen werden.

Biologische Kompetenz bedeutet im Einzelnen:

  • Hämokompatibilität: Da autologes Zell- und Gewebematerial verwendet wird (autolog: Spender = Empfänger) ist die Implantat-Oberfläche biologisch verträglich, insbesondere dem umgebenden Blut gegenüber („hämokompatibel“). Damit wird keine Entzündungs- oder Abstoßungsreaktion ausgelöst.
  • Ebenso wird keine Gerinnselanlagerung induziert.
  • Fähigkeit zum „Mitwachsen“: Implantate können dank dieser Methode so gestaltet werden, dass sie sich einer sich ändernden Anatomie anpassen.
  • Ein biologisch kompetentes Implantat ist außerdem fähig zur Remodellierung, d.h. es kann durch Umbau eine Reaktion auf Belastung aufweisen und ist widerstandsfähig gegen Infektion (Infektionsresistenz).
Bioreaktor-Kamerabild einer biohybriden Herzklappe.
© AME / RWTH Aachen University

Voruntersuchungen haben allerdings gezeigt, dass rein biologische, tissue-engineerte Implantate biomechanisch nicht stabil genug sind. Daher wird eine technische Komponente (Textil aus Polymer) zur Verstärkung des biologischen Gewebes eingesetzt. Ein solcher Verbund aus Textil und autologem vitalen Gewebe wird als Biohybrid bezeichnet.

Das Konsortium analysiert das biologische Reifungsverhalten von biohybriden Implantaten im Bioreaktor am Beispiel der Herzklappe. Mit diesem Wissen soll eine Prozesssteuerung etabliert werden, die für jedes individuelle Reifungsverhalten ein optimales Implantat-Ergebnis erzielt.

Prof. Dr. Thomas Schmitz-Rode, Koordinator ProBioMed

Ein weiteres Problem ist, dass jedes Spendergewebe individuelle Eigenschaften aufweist und sich in der Bioreaktor-Züchtung zum implantierbaren Konstrukt anders verhält. Aufgabe dieses Konsortiums ist es, das biologische Reifungsverhalten von biohybriden Herzklappen im Bioreaktor zu analysieren und dabei die individuellen Eigenschaften der vitalen Zellen und des Gewebes zu erfassen. Dabei werden geeignete Ausgangsparameter des Prozesses identifiziert, die Aufschluss über den Implantatzustand geben. Mit dieser Information soll der Prozess der Reifung so über geeignete Prozesseingangsparameter gesteuert werden, dass für jedes individuelle Reifungsverhalten ein optimales Implantat-Ergebnis erzielt wird.

Dazu arbeiten Experten aus den Bereichen Tissue Engineering, Zellbiologie, Biomaterial, Biomechanik, Produktion, Regelungstechnik, Bildgebung und Implantat-Testung (z.b. Haltbarkeit und Kalzifizierung) zusammen.

Foto des Bioreaktors für die Anzucht der biohybriden Herzklappe.
© AME / RWTH Aachen University

Teilprojekte und Projektleiter:innen:

BioInterface – Funktionelle Fibrin-basierte Hydrogele zur Steuerung von Zell-Biomaterial Interaktionen in biohybriden kardiovaskulären Implantaten
PD Dr. rer. nat. S. Neuss-Stein, Institut für Pathologie, Universitätsklinikum Aachen
Prof. Dr. rer. nat. A. Pich, Leibniz-Institut für Interaktive Materialien, Aachen

TexValveModelling – Modellierung der Struktur und der Fluid-Struktur-Interaktion biohybrider Herzklappen inklusive der Gewebereifung
Prof. Dr. med. S. Jockenhövel; Biohybrid and Medical Textiles, Institut für Angewandte Medizintechnik, RWTH Aachen University
Prof. Dr.-Ing. S. Reese, Institut für Angewandte Mechanik, RWTH Aachen University

Auf dem Weg zur einer Regelung der Reifung von Biohybrid-Implantaten
Prof. Dr.-Ing. D. Abel, Institut für Regelungstechnik, RWTH Aachen University
Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. T. Schmitz-Rode, Institut für Angewandte Medizintechnik, RWTH Aachen University
Prof. Dr. med. M. van Zandvoort, Advanced Optical Microscopy, Maastricht University

DurImplant – Analyse des Implantatverhaltens in einem kardiovaskulären Testsystem
Prof. Dr. rer. nat. W. Jahnen-Dechent, Zell- und Molekularbiologie an Grenzflächen, Universitätsklinikum Aachen
Prof. Dr.-Ing. U. Steinseifer, Cardiovascular Engineering, Institut für Angewandte Medizintechnik, RWTH Aachen University

Multimodale Bildgebung für das longitudinale Monitoring von biohybriden Herzklappen
Prof. Dr. med. S. Jockenhövel, Biohybrid and Medical Textiles, Institut für Angewandte Medizintechnik, RWTH Aachen University
Prof. Dr. med. F. Kiessling, Institut für Experimentelle Molekulare Bildgebung, RWTH Aachen University

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat die zweite Förderphase des DFG Verbundes PAK 961 „Model-based Control of Biohybrid Implant Maturation“ mit 10 Promotionsstellen für weitere 2 Jahre bewilligt. Die erste Förderphase über drei Jahre startete Mitte 2018.

Informationen zu den Teilprojekten der ersten Förderphase gibt es hier.

Biohybride medizinische Systeme bestehen sowohl aus biologischen als auch technischen Anteilen. Sie kombinieren die Vorteile beider Ansätze, indem sie eine zelluläre Komponente für die biologische Funktion mit einer gut berechenbaren und reproduzierbar gestaltbaren technischen Komponente als Matrix für die biomechanische Grundstabilität verbinden.

Tissue Engineering ist der englische Begriff für Gewebekonstruktion bzw. Gewebezüchtung. Ziel ist die künstliche Herstellung biologischer Gewebe durch die gerichtete Kultivierung von Zellen, um damit kranke Gewebe bei einem Patienten zu ersetzen oder zu regenerieren.