EndOxy - Entwicklung der biohybriden Lunge

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Felix Hesselmann

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Hintergrund

Chronische Lungenerkrankungen sind die dritthäufigste Todesursache weltweit. Im Jahr 2008 sterben 4,2 Millionen Menschen allein an der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung COPD. Patienten mit einer chronische Hyperkapnie als Diagnose haben eine weitere Lebenserwartung von weniger als fünf Jahren. Neben der Lungentransplantation steht keine kurative oder auch nur langzeitige Therapie zur Verfügung. Der Mangel an Spenderorganen resultiert in lange Wartelistenzeiten mit einer hohen Wartlistensterberate, was den unbestreitbaren Bedarf für eine künstliche Lunge als technische Alternative verdeutlicht.

Derzeitige künstliche Lungen, sogenannte Membranoxygenatoren, werden beispielsweise routinemäßig im herzchirurgischen Bereich eingesetzt und auch im intensivstationären Bereich zur Behandlung von akuten bis hin zu chronischen Lungenerkrankungen. Die Anwendungsdauer der Membranoxygenatoren ist jedoch wegen Blutunverträglichkeiten auf Tage bis maximal Wochen beschränkt. Die großen technischen Membranoberflächen, die für den Gasaustausch nötig sind, unterliegen über die Anwendungszeit Thrombozytenanlagerungen und Proteinadsorption, die letztendlich in einer Thrombose resultieren. Als einziges Mittel wird eine starke Antikoagulanz eingesetzt, um diesen Prozess zu verlangsamen, aber gleichermaßen die Gefahr von Blutungen birgt. Eine endothelialisierte Lunge hingegen kann die physiologische Umgebung der natprlichen Lunge nachahmen und so die genannten Komplikationen vermeiden. Die biohybride Lunge stellt damit eine signifikanten Schritt in der Entwicklung zur langzeitstabilen und implantierbaren künstlichen Lunge dar.

Projektziele

Die Forschung in diesem Verbdungprojekt fokussiert sich auf die Entwicklung einer endothelialiserbaren künstlichen Lunge zur Behandlung von chronischen Lungenerkrankungen. Die Endothelialiserung verspricht eine gesteigerte Hämokompatibilität und besitzt damit das Potenzial für eine Langzeitanwendung. Dazu wird in einem engen interdisziplinären Verbund mit weiteren Forschergruppen der RWTH Aachen kooperiert.

Methoden

In Kooperation mit dem DWI-Leibniz Institut für Interaktive Materialien und dem BioTex - Biohybrid & Medical Textiles wird die chemische Funktionalisierung Membranmaterial für eine erfolgreiche, initiale Kultivierung und den Erhalt einer konfluenten Zellschicht. Eine Peptidschicht immitiert die extrazelluläre Matrix und dient als Ligand für Endothelzellrezeptoren, um so eine widerstandsfähige Bindung an die Membranoberfläche zu ermöglichen.

BioTex untersucht im Rahmen des Projektes den Kultiveirungsprozess, die Langzeitstabilität und -funktionalität der Endothelzellschicht. Die Kultivierung erfolgt in einem Bioreaktorsystem unter dynamischen Bedingungen. Das Lehr- und Forschungsgebiet für Kardivaskuläre Technik (CVE) entwickelt ein großskaliertes Labormuster mit einer angemessenen Gasaustauschfläche. Dafür werden die Flussbedinungen, die sich im Bioreaktorsystem als optimal für eine erfolgreiche Endothelialisierung erweisen, mittels numerischen Strömungssimulationen (CFD) analysiert. Die fluidmechanischen Eigenschaften werden dann auf das Labormuster übertragen. Verschiedene technische Designs werden unter Berücksichtigung einer Prozesskette entwickelt, die die Bereitstellungsschritte, wie vorläufiger Zusammenbau, Biofunktionalisierung, Sterilisieren, Zusammenbau und Kultivierung, beinhaltet. Die verschiedenen Labormuster werden maschinell gefertigt und anschließend In-vitro-Tests zur Beurteilung der Gasaustauschleistung unterzogen.

Kooperationspartner
Förderer Gefördert mit Mitteln des Interdisziplinären Zentrums für Klinische Forschung in der Medizinischen Fakultät der RWTH Aachen (T12-2)