(Ahmed Hozain und John O'Neill/Columbia Engineering) Die traurige Realität bei tödlichen Lungenerkrankungen ist, dass es einfach weit mehr Patienten gibt, als Spenderlungen zur Verfügung stehen. Das liegt nicht nur an der geringen Zahl an Spendern, die schon problematisch genug wäre, sondern auch daran, dass viele Spenderlungen erheblich geschädigt und somit unbrauchbar sind.
Durch den Einsatz einer neuen experimentellen Technik konnte nun jedoch eine derart geschädigte Lunge wieder funktionsfähig gemacht werden – indem ihr Kreislaufsystem mit dem eines lebenden Schweins geteilt wurde. Dadurch werden die Selbstreparaturmechanismen des Körpers genutzt, um die Fähigkeiten aktueller Techniken zur Wiederherstellung der Spenderlunge zu übertreffen.
„Es ist die Bereitstellung intrinsischer biologischer Reparaturmechanismen über ausreichend lange Zeiträume, die es uns ermöglicht hat, schwer geschädigte Lungen zu heilen, die sonst nicht gerettet werden könnten“, sagen die leitenden Forscher, der Chirurg Ahmed Hozain und der biomedizinische Ingenieur John O'Neill von der Columbia University.
Das zugrunde liegende Prinzip ähnelt einer bestehenden Methode zur Wiederherstellung der Spenderlunge Ex-vivo Lungenperfusion (EVLP), bei der eine Lunge in einer sterilen Kuppel platziert wird, die an ein Beatmungsgerät, eine Pumpe und Filter angeschlossen ist.
Die Temperatur der Lunge wird auf der menschlichen Körpertemperatur gehalten und eine blutleere Lösung, die Sauerstoff, Nährstoffe und Proteine enthält, zirkuliert durch sie. Dieser Kreislauf, bei dem Flüssigkeit durch das Organ gepumpt wird, ist der Perfusionsteil.
EVLP hat dazu beigetragen, Leben zu retten, indem es die Spenderlungen stabil hielt und sie sogar ein wenig reparierte. Allerdings ist das Zeitfenster, das die Technik bietet, etwas begrenzt – sie kann nur bis zu acht Stunden lang durchgeführt werden, was nicht viel Zeit ist, bis die biologischen Reparaturfunktionen eintreten.
Es ist die kostbare Zeit, die das Forschungsteam mit seinen Schweinen und Jahren der Forschung erkauft hat.
Im Jahr 2017 O'Neill leitete die Entwicklung der xenogenen (artübergreifenden) Cross-Circulation-Plattform. Letztes Jahr Zwei der Forscher, die biomedizinische Ingenieurin Gordana Vunjak-Novakovic von der Columbia University und der Chirurg Matthew Bacchetta vom Vanderbilt Lung Institute, leiteten eine Studie, in der sie beschädigte Schweinelungen wiederherstellten, indem sie sie an anderen Schweinen befestigten.
Anfang des Jahres verlängerte das Team die Betriebszeit der Plattform auf vier Tage.
Jetzt haben die Forscher enthüllt, dass sie mit derselben Technik erfolgreich fünf beschädigte menschliche Lungen repariert haben, indem sie sie mit Schweinen verbunden haben, darunter eine schwer verletzte Lunge, deren Funktion mithilfe von EVLP nicht wiederhergestellt werden konnte.
„Wir konnten eine Spenderlunge bergen, die sich in der Klinik nicht erholt hatte Ex-vivo Lungenperfusionssystem, das derzeit der Standard der Versorgung ist“, sagte Vunjak-Novakovic . „Dies war die bisher strengste Validierung unserer Cross-Circulation-Plattform, die hinsichtlich ihres klinischen Nutzens vielversprechend ist.“
Im Rahmen der Studie erhielt das Team sechs Spenderlungen, nachdem diese zur Transplantation abgelehnt worden waren. Die fünf Lungen des Experiments wurden über eine Halsschlagader an anästhesierte, immunsupprimierte Schweine angeschlossen, um zu verhindern, dass das Immunsystem des Schweins die Lunge angreift. Die sechste Kontrolllunge wurde an ein Schwein angeschlossen, das nicht immunsupprimiert war.
Alle Lungen wurden 24 Stunden lang einer xenogenen Kreuzzirkulation ausgesetzt, während die Forscher die physiologischen und biochemischen Parameter der Organe sorgfältig überwachten.
Es dauerte nicht lange, bis die Kontrolllunge zusammenbrach. Es begann, zusätzliche Flüssigkeit zu produzieren, der Kreislauf brach zusammen, während Entzündungs- und Immunmarker anstiegen, sich Blutgerinnsel bildeten und die Atemfunktion nachließ – alles vereinbar mit einer hyperakuten Abstoßung.
Der Kontrast zu den experimentellen Lungen hätte nicht bemerkenswerter sein können. Obwohl alle zuvor Verletzungen aufwiesen, zeigte die Lunge eine deutliche Verbesserung der Zelllebensfähigkeit, der Gewebequalität, der Entzündungsreaktion und der Atemfunktion.
Insbesondere die Veränderung der Lunge, bei der die EVLP versagt hatte, erlebte eine atemberaubende Wende. Es hatte insgesamt 22,5 Stunden auf Eis verbracht und 5 Stunden EVLP erhalten. Danach wurde die rechte Lunge zur Transplantation angenommen, die linke Lunge war jedoch einfach zu stark geschädigt. Es kam zu anhaltenden Schwellungen und Flüssigkeitsansammlungen. Mehrere Transplantationszentren hatten dies abgelehnt.
Nachdem man jedoch 24 Stunden lang Blut mit einem Schwein geteilt hatte, zeigte die geschädigte Lunge Anzeichen einer Reparatur; keine vollständige Genesung, aber viel mehr, als man für möglich gehalten hatte. Dies legt nahe, so die Forscher, dass ihre Cross-Circulation-Plattform in Verbindung mit EVLP genutzt werden könnte, um bei der Wiederherstellung von Lungen zu helfen, die EVLP allein nicht retten kann.
Allerdings ist es noch nicht ganz reif für den klinischen Einsatz. Zum einen könnten die Schweine andere Dinge als ihr Blut teilen. Zum Beispiel bei Krankheiten.
Aus diesem Grund würde jeder klinische Einsatz der Technik Tiere in medizinischer Qualität erfordern, was nicht billig wäre – es wird jedoch dennoch für den Einsatz bei der Xenotransplantation untersucht, bei der Schweineorgane in menschliche Empfänger transplantiert werden können. (Dies wird derzeit getestet bei Pavianen .)
Die andere Möglichkeit besteht darin, dass die menschlichen Empfänger selbst möglicherweise die Grundlage für die Cross-Circulation-Plattform werden könnten, indem sie an die Lungen, die sie selbst erhalten, und vielleicht eines Tages sogar an andere Arten von Organen angeschlossen werden.
„Modifikationen am xenogenen Kreuzzirkulationskreislauf könnten die Untersuchung und Wiederherstellung anderer menschlicher Organe, einschließlich Leber, Herz, Nieren und Gliedmaßen, ermöglichen.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Letztendlich stellen wir uns vor, dass die xenogene Kreuzzirkulation sowohl als translationale Forschungsplattform zur Erweiterung der Transplantationsforschung als auch als biomedizinische Technologie genutzt werden könnte, um den Organmangel zu beheben, indem sie die Gewinnung zuvor nicht rettbarer Spenderorgane ermöglicht.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturmedizin .