Herzrhythmusstörungen: Ultraschall-Pflaster hält das Herz im Takt

Millionen Menschen leben mit Herzrhythmusstörungen. Für viele von ihnen ist ein Herzschrittmacher die wichtigste Behandlung. Bislang bedeutet das fast immer einen operativen Eingriff. Ärzte setzen dabei ein Gerät unter die Haut ein und verbinden es über Elektroden mit dem Herzen. Eine neue Entwicklung könnte diesen Ablauf künftig grundlegend verändern.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelten ein System, das das Herz per Ultraschall von außen steuern soll. Das auf die Brust geklebte Pflaster sendet gezielte Schallwellen durch den Körper und brachte in ersten Versuchen gestörte Herzrhythmen wieder in einen regelmäßigen Takt. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Nature Biomedical Engineering.

Ein langgehegter Traum der Herzmedizin

Heute tragen allein in den USA rund drei Millionen Erwachsene einen Herzschrittmacher. Die Geräte gelten als sicher und bewährt. Dennoch bringt jeder operative Eingriff Risiken mit sich, und die Elektroden müssen dauerhaft mit dem Herz verbunden werden.

Der Mitautor Gengxi Lu von der Universität von Südkalifornien sagt: „Herzschrittmacher gehören zu den wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Implantaten beim Menschen. Sie haben Millionen Leben gerettet.“ Zugleich verweist er auf den Nachteil der bisherigen Technik: „Sie sind invasiv und haben direkten Kontakt mit dem schlagenden Herzen. Der Traum seit vielen Jahren ist eine nichtinvasive Herzstimulation mit Ultraschall.“

Wie das neue Pflaster den Herzrhythmus beeinflusst

Der Prototyp ist etwa so groß wie eine Briefmarke. Im Inneren sitzen winzige Ultraschallwandler. Sie erzeugen Schallwellen, die den Brustkorb durchdringen und das Herz erreichen. Zum System gehört außerdem ein kleines Steuergerät mit Batterie und Elektronik, das in eine Hosentasche passt.

Die Signale des Pflasters lösen eine Reaktion in den Herzzellen aus: Schallwellen öffnen spezielle Kanäle in der Zellmembran. Kalzium strömt in die Zelle ein. Das Signal sorgt dafür, dass sich die Herzmuskelzelle zusammenzieht und einen Herzschlag ausführt. Das Besondere daran: Die Stimulation erfolgt ohne Kabel und ohne direkten Kontakt mit dem Herzen.

Manipulierte Herzzellen reagieren gezielt auf Ultraschall

Ultraschall wird seit Jahren in der Medizin eingesetzt. Ärzte nutzen ihn für die Untersuchung von Organen oder Blutgefäßen. Frühere Tierversuche hatten bereits gezeigt, dass Ultraschall auch Herzzellen aktivieren kann. Die Wirkung fiel jedoch noch zu schwach und zu ungenau aus.

Deshalb erhöhten die Forscher die Empfindlichkeit der Herzzellen. Dazu nutzten sie einen Ansatz aus der sogenannten Sonogenetik. Dabei werden Zellen so verändert, dass sie stärker auf Schall reagieren. Im Labor testete das Team die Methode an menschlichen Herzzellen. Die veränderten Zellen schlugen im Takt der Ultraschallsignale. Unmanipulierte Zellen zeigten diese Reaktion nicht in gleicher Stärke.

Erstautor Chen Gong vom MIT beschreibt die Methode so: „Diese Kanäle können Ultraschall nun besser hören und sich öffnen, um Kalzium hereinzulassen. Das aktiviert die Zelle direkt und bringt sie zum Schlagen.“

So ließen sich Herzrhythmusstörungen bei Ratten korrigieren

Anschließend prüfte das Team die Technik in Tierversuchen. Die Forscher befestigten eine Mini-Version des Pflasters auf der Brust von Ratten und aktivierten die Ultraschallstimulation. Die Ergebnisse fielen positiv aus:

Langsame Herzschläge ließen sich auf eine normale Frequenz anheben.
Unregelmäßige Herzrhythmen wurden stabilisiert.
Das Herz folgte den vorgegebenen Ultraschallimpulsen.

Dabei arbeitete das System mit einer räumlichen Präzision von weniger als einem Millimeter. Außerdem konnten die Wissenschaftler verschiedene Bereiche des Herzens gezielt ansteuern. „Wir können jetzt Ultraschall mit geringer Intensität nutzen, um Ionenkanäle in Zellen zu öffnen und eine sehr wirksame Herzstimulation zu erreichen“, sagt Gong. Die Steuerung erreichte Frequenzen von bis zu neun Herzimpulsen pro Sekunde. Zum Vergleich: Ein Herzschrittmacher arbeitet im Normalfall mit einem Impuls pro Sekunde.

Das Pflaster gegen Herzrhythmusstörungen überzeugt im Langzeittest

Die Ratten trugen das System während normaler täglicher Aktivität. Der Beobachtungszeitraum erstreckte sich über acht Monate. In dieser Zeit überprüfte das Team auch mögliche Nebenwirkungen und unerwünschte Veränderungen.

Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftler die genetische Sicherheit des Verfahrens. Für die Einschätzung einer möglichen Anwendung beim Menschen testeten sie das Konzept außerdem an Schweineherzen außerhalb des Körpers. Schweineherzen ähneln dem menschlichen Herzen in Größe und Aufbau deutlich stärker als die Herzen kleiner Nagetiere.

Einsatz des Pflasters benötigt eine Gentherapie

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse bleibt ein wichtiger Punkt bestehen. Nach dem aktuellen Konzept genügt das Pflaster allein nicht. Vor einer möglichen Behandlung müssten Patienten wahrscheinlich eine Gentherapie erhalten. Sie würde die Herzzellen empfindlicher für Ultraschall machen. Die Forscher vergleichen die Behandlung mit einer einmaligen Injektion. Ähnliche Gentherapien kommen bereits bei einigen seltenen Erbkrankheiten zum Einsatz. Gong hält diesen Weg für realistisch. Er sagt: „Wir glauben, dass dieser Schritt klinisch als Form der Gentherapie übertragbar wäre, um nichtinvasive Herzschrittmacher zu ermöglichen.“

Die neue Technologie ersetzt derzeit aber noch keinen herkömmlichen Herzschrittmacher. Sie zeigt vielmehr einen möglichen Weg für zukünftige Behandlungen.

Forscher arbeiten bereits an der nächsten Generation

Das Team verfolgt noch größere Pläne. Die Arbeitsgruppe entwickelte zuvor Ultraschall-Pflaster, die tief im Körper liegende Organe sichtbar machen können. Künftig soll die Überwachung der Herzaktivität in Echtzeit und die Behandlung, also die automatische Anpassung der Stimulation bei Bedarf, in einem einzigen System zusammenarbeiten.

Der Wissenschaftler Xuanhe Zhao vom MIT beschreibt die Idee so: „Wir glauben, dass man eines Tages Pflaster am Körper haben könnte, die tief im Körper langfristig Bildgebung leisten und zugleich therapeutisch stimulieren, nichtinvasiv und in einem geschlossenen Regelkreis.“

Kurz zusammengefasst:

Forscher haben ein Ultraschall-Pflaster entwickelt, das Herzrhythmusstörungen ohne Operation behandeln könnte und das Herz von außen in einen regelmäßigen Takt bringt.
In Versuchen mit menschlichen Herzzellen und Ratten funktionierte das System präzise und stabilisierte unregelmäßige Herzschläge.
Für eine Anwendung beim Menschen wäre nach aktuellem Stand eine Gentherapie nötig, damit Herzzellen empfindlich genug auf die Ultraschallsignale reagieren.

Übrigens: Ultraschall könnte künftig nicht nur Herzrhythmusstörungen beheben, sondern das Herz auch im Alltag überwachen. Forscher entwickeln ein tragbares System, das Belastungen und frühe Warnzeichen zwischen Arztterminen sichtbar machen soll. Mehr dazu in unserem Artikel.