BioPACE
Biohybride für die Photon-aktivierte cardiale Erregung
Optische Schrittmacher für biohybride Muskelkonstrukte
Seit der ersten Entwicklung und Implantation eines Herzschrittmachers im Jahr 1958 wurden vielfältige Weiterentwicklungen vorgenommen, welche zum Beispiel die Elektrode oder Spannungsversorgung betreffen, sowie weitere Einsatzgebiete erschlossen. Dennoch beruhen auch moderne Herzschrittmacher auf Kontraktionsstimulation durch elektrische Impulse, die zur Behandlung eines verlangsamten bzw. beschleunigten Herzschlags (Bradykardie bzw. Tachykardie) oder einer Weiterleitungsstörung (AV-Block) eingesetzt werden. Für Arrhythmien, die sehr schnell und unregelmäßig sind, erfolgt eine kurzzeitige Defibrillation mit starken Impulsen, die für den Patienten äußerst schmerzhaft sein können und bei wiederholter Anwendung zu einer dauerhaften Schädigung des Herzmuskels führen.
Der Verbund BioPACE befasst sich im Rahmen der Photonik-Plus-Ausschreibung „Neue optische Basistechnologien“ des BMBF mit neuartigen Verfahren der synthetischen Biologie, der Optogenetik, um die Vorteile der optischen Stimulation von Muskelgewebe gegenüber einer elektrischen Anregung für einen klinischen Einsatz nutzbar zu machen. Mögliche Anwendungsgebiete sind dabei insbesondere Herzrhythmusstörungen, um aus einer Kombination von patienteneigenen Zellen und optischen Faserapplikatoren einen biohybriden Herzschrittmacher zu erproben und bestmögliche Kompatibilität des Implantats zu erreichen. Die hochauflösende optische Stimulation lässt dabei perspektivisch weitere Anwendungen im Bereich anderer Muskeln sehr attraktiv erscheinen.
Effiziente und spezifische Muskelanregung über optisch erzeugte Erregung
Die Verbindung von Photonik, Optogenetik und Nanotechnologie zur Realisierung eines neuen therapeutischen Ansatzes in der Medizintechnik motiviert das BioPACE Konsortium zur Arbeit an dem hier vorgestellten Projekt zur Erforschung von biohybriden Implantaten für die lichtinduzierte Herzerregung, -defibrillation und Skelettmuskelstimulation.
Ziel des BioPACE-Konsortiums ist daher die Erforschung von biohybriden Implantaten für die Photon-aktivierte Herzerregung durch die Kombination von modernen Methoden der Photonik, Optogenetik und Nanotechnologie. Zentral ist dabei die Herstellung einer optischen Erregbarkeit der Herzmuskelzellen durch Arbeitsgruppen aus der Medizin und Zellbiologie sowie die Entwicklung und Bereitstellung optischer Fasertechnologien und Nanopartikel, um eine optimale Erregbarkeit tief im Gewebe zu ermöglichen, durch Partner aus der Forschung und Industrie.
Die im Verbund entwickelte Hightech-Strategie soll die Photon-aktivierte Stimulation zunächst mit Schwerpunkt auf Erprobung an Herzmuskelkonstrukten erforschen, um ihre Einsetzbarkeit für die Entwicklung eines biohybriden Herzschrittmachers für Kinder und jüngere Patienten zu evaluieren. Hierfür wird die prinzipiell Anwendbarkeit dieser Technologien zur optogenetischen Herzstimulation, Defibrillation lebensbedrohlicher Herzrhythmusstörungen und Muskelstimulation anhand von isolierten Modellen getestet.
Eine begleitende Erprobung für eine hochauflösende Skelettmuskelstimulation soll das perspektivisch breite Anwendungspotential auch in anderen Bereich der Medizin demonstrieren.
