26 Minuten, die die Herzmedizin veränderten

Vom ersten Einsatz der Herz-Lungen-Maschine bis zu winzigen Implantaten: Die Geschichte der technischen Herzunterstützung ist eine Geschichte von Erfindergeist und jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit. Fortschritte bei Elektronik, Energieversorgung und Pumpentechnik machten es möglich, den Herzschlag zu steuern und fehlende Pumpkraft zu ergänzen.

Eine Miniaturpumpe kann heute ein geschwächtes Herz vorübergehend entlasten. Für die Entwicklung und industrielle Produzierbarkeit der Impella-Herzpumpe erhält der Aachener Ingenieur Thorsten Sieß den Werner-von-Siemens-Ring 2026. Doch dahinter steht eine lange Entwicklungsgeschichte: Wie wurde es möglich, die Arbeit des Herzens technisch zu unterstützen?

Erst verstehen, dann unterstützen

Am Anfang stand das Verständnis des Blutkreislaufs. 1628 veröffentlichte der englische Arzt William Harvey seine Erkenntnisse in „De motu cordis“. Er verband Beobachtungen und Experimente mit einer Mengenabschätzung: Das Herz bewegte weit mehr Blut, als der Körper fortlaufend neu bilden konnte. Es musste deshalb im Kreis fließen.

Harvey beschrieb, wie die Herztätigkeit das Blut durch die Arterien treibt und es über die Venen zurückkehrt. Damit war eine entscheidende Grundlage gelegt für die spätere technische Unterstützung. Bis Maschinen diese Aufgabe tatsächlich übernehmen konnten, vergingen allerdings noch mehr als drei Jahrhunderte.

Die Herz-Lungen-Maschine schafft Zeit für Operationen

Den Durchbruch schaffte der amerikanische Chirurg John Heysham Gibbon, der 1930 erlebte, wie eine Patientin mit einer Lungenembolie trotz Operation starb. Ihn beschäftigte die Frage, ob sich ihr Blut außerhalb des Körpers mit Sauerstoff versorgen und anschließend zurückführen ließe. Gemeinsam mit Mary Hopkinson, die er 1931 heiratete, arbeitete er in den folgenden Jahren an einer entsprechenden Maschine. Später kamen Ingenieure von IBM hinzu.

Das Prinzip verbindet zwei Aufgaben: Eine Pumpe hält den Blutfluss aufrecht, ein Oxygenator übernimmt den Gasaustausch der Lunge. Sauerstoffarmes Blut wird aus dem Körper abgeleitet, mit Sauerstoff angereichert und von Kohlendioxid befreit. Anschließend wird es in das arterielle Gefäßsystem zurückgepumpt. Dabei muss auch verhindert werden, dass das Blut im künstlichen Kreislauf gerinnt. Dafür wird unter anderem Heparin eingesetzt.

26 Minuten, die die Herzchirurgie veränderten

Am 6. Mai 1953 gelang Gibbon am Jefferson Medical College Hospital in Philadelphia der entscheidende Eingriff: Er verschloss bei der 18-jährigen Cecelia Bavolek einen Defekt in der Scheidewand zwischen den Herzvorhöfen.

Für 26 Minuten übernahm seine Herz-Lungen-Maschine die Kreislauf- und Sauerstoffversorgung vollständig. Der Erfolg eröffnete neue Möglichkeiten für Operationen im Inneren des Herzens. Die Technik war dennoch keineswegs ausgereift: Weitere Patientinnen und Patienten starben; Gerinnungsprobleme und Blutverlust machten Verbesserungen notwendig.

ECMO ermöglicht längere Unterstützung

Aus der extrakorporalen Zirkulation entwickelte sich auch die länger dauernde Unterstützung mittels extrakorporaler Membranoxygenierung, kurz ECMO. 1972 berichtete ein Ärzteteam über einen schwer verletzten Patienten, der nach 75 Stunden Unterstützung ein akutes Lungenversagen überlebte.

Heute unterstützt die venovenöse ECMO die Lunge; die venoarterielle Variante kann zusätzlich den Kreislauf stützen. Mobile Systeme lassen sich auch als „Herz-Lungen-Maschine für unterwegs“ beim Patiententransport einsetzen.

Der Herzschrittmacher: Vom Stromnetz ins Herz

Während die Herz-Lungen-Maschine Blut bewegt und mit Sauerstoff versorgt, setzt der Herzschrittmacher bei der elektrischen Steuerung an. Ist der eigene Herzschlag zu langsam oder die Weiterleitung der Erregung gestört, können elektrische Impulse den Herzmuskel zur Kontraktion anregen. Dazu benötigt das Gerät einen Impulsgeber, eine Energiequelle und Elektroden, die den Kontakt zum Herzgewebe herstellen.

Frühe Geräte waren allerdings auf das Stromnetz angewiesen. Wie gefährlich diese Abhängigkeit war, zeigte 1957 ein Stromausfall in Minneapolis. Der Herzchirurg Clarence Walton Lillehei bat den Elektrotechniker Earl Bakken daraufhin um eine unabhängige Stromversorgung. Bakken entwickelte einen tragbaren, batteriebetriebenen Schrittmacher mit Transistoren. Patientinnen und Patienten mussten damit nicht mehr ständig an ein netzbetriebenes Gerät angeschlossen bleiben.

Kleinere Elektronik macht Implantate möglich

Der nächste Schritt folgte am 8. Oktober 1958 in Schweden: Der Chirurg Åke Senning implantierte Arne Larsson einen vollständig im Körper untergebrachten Schrittmacher, den der Arzt und Ingenieur Rune Elmqvist entwickelt hatte. Der Eingriff markierte einen Durchbruch, doch die frühen Geräte waren noch störanfällig und mussten wiederholt ersetzt werden.

Für zuverlässigere Implantate waren eine kleinere Elektronik und langlebigere Batterien entscheidend. 1972 wurde erstmals ein Herzschrittmacher mit einer Lithium-Iod-Batterie implantiert. Wilson Greatbatch trug wesentlich dazu bei, diese Stromquelle für Schrittmacher nutzbar zu machen. Moderne Geräte erkennen die eigene Herzaktivität und geben bei Bedarf Impulse ab.

Eine weitere Entwicklungsstufe sind sondenlose Schrittmacher, die per Katheter direkt im Herzen platziert werden. Eine 2023 veröffentlichte Studie mit 300 Patienten untersuchte ein solches Zweikammersystem: Zwei miteinander kommunizierende Implantate koordinierten die Stimulation von rechtem Vorhof und rechter Herzkammer.

Herzunterstützungspumpen: Wenn der Muskel zu wenig Kraft hat

Elektrische Impulse allein reichen jedoch nicht aus, wenn der Herzmuskel trotz geordneten Rhythmus zu wenig Blut fördert. Mechanische Unterstützungssysteme übernehmen dann einen Teil seiner Arbeit. Ein linksventrikuläres Unterstützungssystem, kurz LVAD, leitet Blut aus der linken Herzkammer in die Hauptschlagader. Das eigene Herz bleibt erhalten. Ein vollständiges Kunstherz ersetzt dagegen die Herzkammern und ihre Klappen.

Frühere implantierbare Unterstützungspumpen arbeiteten häufig mit einer Verdrängerkammer, die sich füllte und anschließend Blut ausstieß. Damit erzeugten sie einen pulsierenden Blutfluss. Die Konstruktionen benötigten aber viel Platz und waren durch den Verschleiß beweglicher Komponenten begrenzt. Rotationspumpen machten kompaktere Systeme möglich: Axialpumpen fördern entlang der Rotorachse, Zentrifugalpumpen lenken das Blut nach außen.

Ein Rotor schwebt im Magnetfeld

Auch die Rotorlagerung entwickelte sich weiter. Beim HeartMate 3 schwebt der Rotor vollständig in einem Magnetfeld; mechanische Lager entfallen. Größere Strömungsspalte sollen die Belastung des Blutes verringern. Dass konstruktive Verbesserungen klinisch relevant sein können, zeigte die randomisierte MOMENTUM-3-Studie mit 1028 Teilnehmenden.

Mit der magnetisch gelagerten Zentrifugalpumpe überlebten nach zwei Jahren mehr Patientinnen und Patienten ohne schwer behindernden Schlaganfall oder erneute Operation wegen einer Pumpenfehlfunktion als mit der untersuchten Axialpumpe.

Von der Überbrückung zur langfristigen Behandlung

Parallel veränderte sich das Behandlungsziel. Unterstützungspumpen dienen nicht nur dazu, die Wartezeit bis zu einer Transplantation zu überbrücken. Sie können auch eine langfristige Behandlung ermöglichen.

Bereits die REMATCH-Studie von 2001 zeigte bei Patientinnen und Patienten, die für eine Transplantation nicht infrage kamen, einen Überlebensvorteil gegenüber der damaligen medikamentösen Therapie – allerdings auch deutlich öfter schwere Komplikationen.

Die nächste Generation: Energie und Regelung verbessern

Mit Miniaturpumpen wie Impella ist die Entwicklung nicht abgeschlossen. Gerade bei langfristig implantierten Unterstützungssystemen bleibt die Energieversorgung eine technische Herausforderung: Die durch die Haut geführte Stromleitung kann zum Ausgangspunkt von Infektionen werden. Drahtlose Energieübertragung könnte diese Verbindung ersetzen.

 2019 berichtete ein Forscherteam über den ersten Einsatz eines speziellen Systems zur drahtlosen Energieübertragung in Verbindung mit einer kontinuierlich fördernden Herzunterstützungspumpe bei zwei Betroffenen. Dabei handelt es sich aber um eine frühe klinische Erprobung, die keinen Nachweis für eine breite Anwendung liefert.

Die Pumpe soll sich dem Körper anpassen

Ein weiteres Forschungsziel ist eine Regelung, die die Förderleistung automatisch an Belastung und Herzfüllung anpasst. Druck- und Volumensensoren könnten dafür die nötigen Informationen liefern. Ein solches System wurde 2022 in Tierversuchen untersucht. Die nächste Entwicklungsstufe betrifft damit neben der Größe auch die Frage, wie gut sich eine Pumpe auf den Körper einstellen kann.

Quellen

• Stiftung Werner-von-Siemens-Ring: Auszeichnung für Thorsten Sieß (2026) – zur Impella-Herzpumpe und ihrer industriellen Produzierbarkeit.
• Thomas Jefferson University: John Gibbon und die erste erfolgreiche Operation mit Herz-Lungen-Maschine – zum Eingriff am 6. Mai 1953 und den 26 Minuten vollständiger Unterstützung.
• Hill et al.: Prolonged Extracorporeal Oxygenation for Acute Post-Traumatic Respiratory Failure (1972) – Originalbericht über die 75-stündige extrakorporale Unterstützung.
• Medtronic: Unsere Geschichte – zur Entwicklung des batteriebetriebenen Herzschrittmachers durch Earl Bakken.
• Greatbatch und Holmes: The Lithium/Iodine Battery – A Historical Perspective (1992) – zur Entwicklung und Einführung der Lithium-Iod-Batterie für Herzschrittmacher.
• Knops et al.: A Dual-Chamber Leadless Pacemaker (2023) – Studie zum sondenlosen Zweikammersystem mit 300 Teilnehmenden.
• Mehra et al.: A Fully Magnetically Levitated Left Ventricular Assist Device – Final Report (2019) – abschließende Ergebnisse der MOMENTUM-3-Studie.
• Rose et al.: Long-Term Use of a Left Ventricular Assist Device for End-Stage Heart Failure (2001) – REMATCH-Studie zur langfristigen mechanischen Herzunterstützung.
• Pya et al.: First Human Use of a Wireless Coplanar Energy Transfer Coupled with a Continuous-Flow Left Ventricular Assist Device (2019) – frühe klinische Erprobung drahtloser Energieübertragung bei zwei Patienten.
• Cysyk et al.: In Vivo Evaluation of a Physiologic Control System for Rotary Blood Pumps (2022) – Tierversuche zur automatischen Pumpenregelung mit Druck- und Volumensensoren.