Nederlandse onderzoekers ontwikkelen een kunsthart dat bestaat uit zachte materialen en een laag lichaamseigen cellen. Een vroeg prototype van dat kunstmatige hart is nu succesvol getest.
 

Het prototype is ontwikkeld binnen het grote Europese project Hybrid Heart, waarin wetenschappers en bio-ingenieurs van verschillende universiteiten en academische ziekenhuizen samenwerkten. De eerste resultaten verschenen eerder deze week in het bekende wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Vervolgproject

Inmiddels is een vervolgproject gestart: Holland Hybrid Heart,  dat vorig jaar is gestart en in totaal zeven jaar duurt. Het einddoel daarvan is om een kunsthart te bouwen dat in mensen kan worden getest. De doelgroep van zo’n kunstmatig hart bestaat uit mensen met het eindstadium van hartfalen. Bij hen kan het hart niet meer voldoende bloed rondpompen om de weefsels van voldoende zuurstof en voedingsstoffen te voorzien. In sommige gevallen ontvangt een patiënt dan een donorhart, maar er is een groot tekort aan donorharten. Bestaande steunharten die de bloedstroom in het zieke hart ondersteunen, kunnen de tijd overbruggen totdat een donorhart beschikbaar komt. Een volledig kunsthart zou echter een donorhart helemaal kunnen vervangen.

Harde materialen voldoen niet

Er bestaan wel enkele typen kunstharten, vertelt hoogleraar Cell-Matrix Interactions Carlijn Bouten van de TU Eindhoven aan de telefoon, maar die bevinden zich nog in de experimentele fase (lees ook het artikel: ‘Hoe werkt een kunsthart?’). ‘Daarnaast voldoen ze eigenlijk niet goed. Dat komt doordat ze zijn gebouwd van harde materialen en dat vindt het menselijk lichaam niet fijn. Op termijn gaan bloedcellen kapot en ontstaat ook aan de bloedvaten schade doordat de bloedstroom niet natuurlijk verloopt.’

In een gezond lichaam stroomt het bloed op een pulserende manier door de vaten. De hartspier trekt samen – met als frequentie de hartslag – en pompt zo zuurstofrijk bloed door het lichaam, en zuurstofarm bloed door de longen. Cruciaal hierbij is dat de druk in de bloedbaan varieert door het afwisselend samentrekken en ontspannen van de hartspier. ‘Dit kunnen we alleen goed nabootsen door voor ons kunsthart zachte materialen te gebruiken. Een biologisch hart is niet voor niets ook gemaakt van zachte materialen’, zegt Bouten.

Drie gedeelten in draden gewikkeld

Van het gekozen buigzame materiaal bouwden projectpartners het prototype, dat bestaat uit twee ventrikels (kamers) met daartussen het zogeheten septum. Om deze drie gedeelten zitten draden gewikkeld die ervoor zorgen dat het uitzetten van het septum één op één zorgt voor het inkrimpen van de beide ventrikels. Dit mechanisme is bedacht door hartchirurg Jolanda Kluin van het Erasmus Medical Center, projectleider van het Holland Hybrid Heart-project. ‘Die ziet bijna dagelijks tijdens haar operaties functionerende en falende harten. Zo is ze op het idee gekomen.’

Buigen, niet uitrekken

Het nu geteste eerste prototype kunsthart is 11 centimeter lang, 10 centimeter breed en weegt leeg 62 gram. Het is gemaakt van nylon dat is gecoat met een andere kunststof. Het materiaal is gekozen vanwege zijn prima buigzaamheid. Veel andere onderzoekers kiezen bij het ontwikkelen van een kunsthart voor materialen die kunnen uitrekken, schrijven Bouten en collega’s in hun artikel in Nature Communications, maar ‘de duurzaamheid van deze materialen is een probleem wanneer je weet dat ze gedurende hun levensduur tot wel drie miljard keer worden uitgerekt, bij tussen de 60 en 100 slagen per minuut.’

Ketchupfles

Het bijzondere van het kunsthart is verder dat het kan worden aangestuurd zonder elektronica, maar op basis van luchtdruk. ‘De zachte klep die we gebruiken gaat vanzelf open en dicht zodra we er een constante luchtstroom van een pomp door sturen’, zegt Bas Overvelde, wetenschappelijk groepsleider bij AMOLF,  in een nieuwsbericht van de TU Eindhoven. De zachte klep is gebaseerd op eerder onderzoek van Overvelde, waar wij ook over schreven (lees ook het artikel: ‘Zachte robot beweegt dankzij ventiel ketchupfles’). Het prototype is getest in het lab en in een proefdier. Die proeven lieten zien dat het hart bloed kan rondpompen met een kracht die vergelijkbaar is met een natuurlijk hart.

Laag van lichaamseigen cellen

Bouten en haar Eindhovense collega’s werken nu aan de binnenkant van het kunsthart. Om te voorkomen dat het lichaam van een patiënt het hart gaat afstoten, moet daar een laag komen te zitten van lichaamseigen cellen. Dat wordt een tweetrapsraket, vertelt Bouten. ‘De eerste trap is een materiaal dat bloedstolsels voorkomt en dat eiwitten aantrekt. De tweede trap, die weken of maanden later in actie komt, is een materiaal dat zorgt dat er een natuurlijke bekleding gaat groeien van endotheelcellen, met een dun laagje hartweefsel eronder.’ Zo ontstaat een  bekleding van lichaamseigen cellen, terwijl het synthetische materiaal langzaam wordt afgebroken.

Vliegtuig

De allergrootste uitdaging van dit project is om alle losse elementen bij elkaar te laten komen, zegt Bouten. ‘Je kan het echt vergelijken met het ontwikkelen van een auto of een vliegtuig. Net als daar is een goede systems-engineering-aanpak van groot belang. We hebben allemaal knappe koppen werken aan de deelproblemen van het kunsthart, maar de kunst is om die goed bij elkaar te brengen. Dat is écht een flinke uitdaging.’

Verschillende vormen ontwikkelen

De komende jaren worden verschillende vormen voor het kunsthart ontwikkeld en met elkaar vergeleken. Daaruit volgt een keuze voor de definitieve vorm. Doel van het team van Holland Hybrid Heart is daarna om te komen tot een versie van het kunsthart dat geschikt is voor langdurige preklinische (dus nog niet in het ziekenhuis) testen. Als die goed gaan, kan toestemming worden gevraagd voor de eerste tests met mensen. ‘We hebben een heleboel puzzelstukjes in elkaar te passen, de randen van de puzzel liggen er nu.’


Alle beelden: M. Araee et al., Nature Communications, 2025, ‘A soft robotic total artificial hybrid heart’, http://

creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/