Herzschrittmacher als Pflaster: MIT-Team entwickelt ultraschallbasierte Alternative zur Herzimplantat-OP

Rund drei Millionen Menschen in den USA tragen heute einen implantierten Herzschrittmacher, weltweit sind es schätzungsweise eine Million Neuimplantationen pro Jahr. Die Geräte retten Leben, erfordern aber einen chirurgischen Eingriff, eine Vollnarkose und direkten Kontakt mit dem schlagenden Herzmuskel. Infektionen, Elektrodenschäden und der nötige Austausch der Batterie nach sieben bis zehn Jahren sind bekannte Risiken. Ingenieur:innen des MIT haben nun einen Weg gefunden, auf all das zu verzichten: ein briefmarkengroßes Ultraschall-Pflaster, das den Herzrhythmus von außen reguliert, ohne dass eine Operation nötig wäre.

Herzzellen lernen, Schall zu hören

Der Kern der Technologie ist ein Verfahren namens Sonogenetik. Das Prinzip lehnt sich an die Optogenetik an, bei der Zellen gentechnisch so verändert werden, dass sie auf Lichtsignale reagieren. Die Sonogenetik überträgt diesen Ansatz auf Schall. Herzmuskelzellen werden dabei so modifiziert, dass bestimmte Ultraschallfrequenzen Ionenkanäle an ihrer Zelloberfläche öffnen. Durch diese Kanäle strömt Kalzium in die Zelle, was den Kontraktionsimpuls auslöst und die Zelle zum Schlagen bringt.

„Diese Kanäle können Ultraschall nun besser ‚hören‘ und lassen Kalzium einströmen, was die Zelle direkt aktiviert und zum Schlagen bringt“, erklärt Erstautorin Chen Gong. Das Pflaster selbst besteht aus einem Hydrogel-Material, das fest auf der Haut haftet und Ultraschallwellen ungehindert passieren lässt. Winzige Transducer im Inneren senden die Impulse tief ins Körperinnere. Das gesamte System inklusive Akkupack ist so konzipiert, dass es problemlos in eine Hosentasche passt und im Alltag kaum auffällt.

Vom Labor in den Tierversuch

In ersten Laborversuchen mit gentechnisch veränderten menschlichen Herzmuskelzellen schlugen die Zellen synchron mit dem Ultraschallrhythmus, unveränderte Zellen hingegen nicht. Anschließend testete das Team das Pflaster an Ratten mit Herzrhythmusstörungen. Das Gerät brachte zu langsam schlagende Herzen auf normale Frequenz zurück und stabilisierte unregelmäßige Herzschläge zuverlässig. Dass Ultraschall Herzgewebe grundsätzlich beeinflussen kann, war aus früheren Tierversuchen bekannt, der Effekt galt jedoch als zu schwach und inkonsistent für eine klinische Nutzung. Die Kombination mit der Sonogenetik löst genau dieses Problem: Ohne die genetische Sensibilisierung der Zellen wären weitaus stärkere Schallintensitäten nötig, die Gewebeschäden riskieren könnten. Mit ihr genügt niederintensiver, gewebeschonender Ultraschall, um den Herzrhythmus präzise zu steuern. Die Forschenden arbeiten bereits daran, das Pflaster kleiner, langlebiger und stabiler zu gestalten.

Ein zweistufiger Weg zur Klinik

Für den klinischen Einsatz sieht das MIT-Team ein zweistufiges Vorgehen vor: Patient:innen würden zunächst eine einmalige Gentherapie-Injektion erhalten, ähnlich einem Impfstoff, der die Herzmuskelzellen dauerhaft für die Ultraschallsignale des Pflasters sensibilisiert. Vergleichbare Gentherapien sind in den USA bereits für Erkrankungen wie Sichelzellanämie und spinale Muskelatrophie von der FDA zugelassen. Danach genügte das Tragen des Pflasters mit dem kleinen Akkupack, ohne weiteren Eingriff.

Die gleiche MIT-Gruppe hatte zuvor bereits ein Ultraschallpflaster für die nicht-invasive Bildgebung tiefer Organe entwickelt. Beide Systeme sollen künftig in einem einzigen smarten Pflaster zusammenwachsen, das gleichzeitig überwacht und bei Bedarf eingreift. „Man könnte sich vorstellen, Pflaster auf verschiedenen Körperstellen zu tragen, die langfristig bildgebend, überwachend und therapeutisch stimulierend wirken, auf nicht-invasivem Weg“, sagt Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau am MIT. Die Forschungsgruppe denkt dabei längst über das Herz hinaus: Ähnliche Ansätze könnten künftig auch bei neurologischen Erkrankungen oder Muskelfunktionsstörungen Anwendung finden. Die Studie erschien am 2. Juni in Nature Biomedical Engineering.

via MIT