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AG "BIOHYBRID LUNGE" (Dr. Bettina Wiegmann)

Kontakt
Leiter/in Institut / Klinik: Prof. Dr. Axel Haverich
Stellvertretung vor Ort (NIFE): Dr. Bettina Wiegmann
Mail: Wiegmann.Bettina@mh-hannover.de

Forschungsthemen: Biohybridlunge, biohybrides Herzunterstützungssystem, bioaktive Beschichtung, Zellkultur, Tissue Engineering, Endothelialisierung, ECMO, in-vivo Testung, Computergestützte Modelle, numerische Strömungsmechanik (CFD), Finite-Elemente (FE) Analyse, Bioreaktoren, Hämodynamik, Biokompatibilität

Kurzbeschreibung der AG

Das Ziel der Arbeitsgruppe ist die Entwicklung einer implantierbaren Biohybridlunge als Alternative zur Lungentransplantation, die den Blutgasaustausch von Patienten, die an einer schweren Lungen- und/oder Herzkrankheit leiden, dauerhaft zu unterstützen, bzw. komplett zu übernehmen kann. Als Grundlage dieser Entwicklung dient die Technologie der bereits klinisch angewendeten extrakorporalen Membranoxygenierung (ECMO), bei der mit Hilfe von künstlichen Hohlfasern der Gasaustausch des Blutes erfolgt. Die ECMO kann jedoch aufgrund der geringen Blutverträglichkeit der einzelnen künstlichen Komponenten einerseits nur zeitlich limitiert eingesetzt werden (Tage bis Wochen), andererseits müssen die Patienten unter der ECMO-Therapie strikt antikoaguliert und primärprophylaktisch antibiotisch therapiert werden, sodass sie daher intensivmedizinisch überwacht werden müssen.

Um die vollständige und langfristige Blutverträglichkeit der Biohybridlunge sicherzustellen und deren dauerhafte Funktionalität zu gewährleisten, werden alle blutkontaktierenden Gerätekomponenten mit Endothelzellen (Zellen der Gefäßinnenwände) besiedelt werden. Zusätzlich erfolgt eine computergestützte Anpassung der Gerätegeometrie für eine optimale Blutfluss-Dynamik, die einerseits eine Hämolyse der Blutbestandteile, andererseits die Entstehung von Blutgerinnseln sogenannten „low-flow“-Gebieten im System verhindert.

  1. Hierfür entwickeln wir Oberflächenmodifikationen und Beschichtungen, die es erlauben, Endothelzellen auf den unterschiedlichen künstlichen Materialen der verschiedenen Gerätekomponenten, wie z.B. den Gas-Austauschmembranen, der Blutpumpe und der Schläuche, anzusiedeln.

  2. Für die effektive Besiedlung aller Gerätekomponenten werden mehr als 5 x 108 Endothelzellen benötigt, die nicht aus dem Gefäßsystem des Patienten isoliert werden können, der die Biohybridlunge nutzen muss. Daher erforschen wir Alternativen (genetisch modifizierte Zellen) zu diesen autologen (patienteneigenen) Endothelzellen, wobei wir u. a. deren zelluläres Verhalten unter den in der Biohybridlunge vorherrschenden Bedingungen zum Verhalten nativer Endothelzellen vergleichen.

  3. Mittels computergestützter Modelle und unter Einbeziehung der Gegebenheiten verschiedener Grade und Ausprägungen der pulmonale / kardialen Erkrankungen der potentiellen Patientengruppen (z. B. cystische Fibrose, COPD), die für die Applikation einer Biohybridlunge in Frage kommen, entwickeln und testen wir Prototypen der Biohybridlunge hinsichtlich ihrer Blutfluss-Dynamik und ihrer Gasaustauschkapazität.

  4. Die Prototypen werden sowohl in sogenannten Phantom-Kreisläufen, aber auch in Groß- und Kleintierversuchen hinsichtlich ihrer biologischen Verträglichkeit, ihrer Gasaustauschkapazität und der flussdynamischen Aspekte analysiert.