Stefan Jockenhövel

Brückenbauer zwischen zwei Welten

Stefan Jockenhövel hat eine sogenannte Brückenprofessur inne – zwischen dem Institut für Textiltechnik (ITA) und dem Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen.

Quelle: Peter Winandy/VDI Technologiezentrum

Faserverstärkte patienteneigene Herzklappen und Gefäßprothesen könnten schon bald eine riesige Lücke in der Herzchirurgie schließen. Ein Besuch beim Entwickler Professor Dr. Stefan Jockenhövel in Aachen. von Beate Wagner

Das Objekt der Begierde schwimmt in einer roten Flüssigkeit. Wie ein Glas mit Früchtetee steht der durchsichtige Zylinder auf einer Art Stövchen. Drumherum allerlei Schläuche, Pipettenhalter, ein Laptop. Beim Blick in den Zylinder entdeckt der Betrachter einen weißlichen Schlauch. An dessen oberer Öffnung pulsieren drei Segel. Wie von Geisterhand öffnen und verschließen die münzgroßen Läppchen die Röhre, immer im gleichen Rhythmus. Als seien sie lebendig.

Der Aachener Mediziner und Textilingenieur ist Vorreiter: Er hat die erste textilen Herzklappe, die mit patienteneigenen Zellen bewachsen ist, entwickelt.

Quelle: Peter Winandy/VDI Technologiezentrum

Stefan Jockenhövel steht neben der Apparatur im Labor und grinst. „Weit hergeholt ist diese Assoziation nicht“, sagt der Endvierziger, der eine einmalige Brückenprofessur zwischen dem Institut für Textiltechnik (ITA) und dem Helmholtz Institut für Biomedizinische Technik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen besetzt. „Wir haben hier tatsächlich eine lebendige Herzklappe, die sich gerade an die Druck- und Flussbedingungen im menschlichen Körper gewöhnt.“ Lebendig, weil das Gerüst des Implantats aus lebenden, menschlichen Zellen besteht. Per Gewebezüchtung, einer speziell entwickelten Gussmethode und einer textilen Einlage haben die Forscher eine komplette Herzklappe kreiert. „Weil Zellen von Natur aus faul sind, müssen wir die Herzklappe jetzt noch wie in einem Fitnessstudio trainieren“, erklärt der Professor. Dafür nutzen die Wissenschaftler speziell entwickelte Bioreaktoren, die die physiologischen Bedingungen im Organismus simulieren. „Nur dann werden sich die Zellen vernetzen und – wie eine natürliche Herzklappe – im Körper funktionieren.“

Insider der Textil- und Medizintechnikbranche

Jockenhövel ist Entwickler der ersten textilen Herzklappe auf Basis patienteneigener Zellen. Und er ist weltweit Vorreiter auf dem Gebiet der textil-verstärkten Implantate für das Herz-Kreislaufsystem. Neben den Herzklappen sind das Gefäßimplantate, Stents und Pulmostents. Auch diese Metallstents werden mit vitalem Gewebe kombiniert. Sie sollen Patienten mit Lungenkrebs eine bessere Atmung ermöglichen. Als Herzchirurg und Textilforscher kennt Jockenhövel sowohl die Textil- als auch die Medizintechnikbranche. Und nicht nur das: Er hat die bisher fremden Welten miteinander verbunden. „Wir erforschen sogenannte biohybride Systeme, die technisches Gewebe und biologisierte Zellen kombinieren“, beschreibt er. Die Vorteile der Kombi-Packung: „Die lebendige Herzklappe zum Beispiel wird durch die textile Faser so stabil, dass sie dem hohen Druck im Blutkreislauf standhält.“ 

„Faserstrukturen wie Kollagen, Elastin und Proteoglykane stabilisieren uns überall im Körper“, sagt Jockenhövel. „Wir Menschen sind ein textiles Produkt.“ Im Labor gezüchtete Herzklappen durch Gewebe zu verstärken, findet der Wissenschaftler daher nur logisch. Geht sein Plan auf, könnte es noch Ende dieses Jahrzehnts mit der weltweit ersten Transplantation einer textilen menschlichen Herzklappe klappen. Textile Gefäßimplantate sollen schon in etwa zwei Jahren in den klinischen Einsatz gebracht werden.

Textile Implantate sollen eine riesige Lücke füllen

Angeborene Herzklappenfehler zählen bei Neugeborenen zu den häufigen Herzfehlern. Mit dem demographischen Wandel nimmt aber auch die Zahl der erworbenen Herzklappenfehler bei Erwachsenen stetig zu. Der Bedarf an Ersatzklappen steigt daher ständig. Bisher gibt es zwei Möglichkeiten: künstliche, mechanische Herzklappen oder biologische Herzklappen, die meist von Schweinen stammen. Beide sind problematisch: Nach Implantation einer mechanischen Klappe muss der Patient lebenslang Blut verdünnende Mittel nehmen. Tierische Herzklappen neigen vor allem bei jüngeren Patienten schnell zum Verschleiß oder drohen zu verkalken.

Patienteneigene, textil-verstärkte Herzklappen halten, glaubt man dem Aachener Forscher, länger als die bisher verfügbaren Modelle. Schließlich entstammten sie dem Träger selbst und hätten daher exakt dessen Alter. Die Wissenschaft erhofft sich auch weniger Abstoßungen, Allergien oder Infektionen. Das Implantat kann sogar mitwachsen – ein Vorteil vor allem für Babys und Kinder, deren Herz noch wächst. „Neugeborene, deren Herzfehler bald nach der Geburt operiert werden, brauchen zukünftig nicht mehr sofort und nicht mehrmals unters Skalpell“, erklärt Jockenhövel. Denn die textile Herzklappe wollen Herzchirurgen per Katheter einsetzen.

Ein ähnliches Dilemma gibt es beim Thema Gefäßprothesen. Sie werden eingesetzt, wenn Gefäße am Herzen oder in den Beinen verengt oder verschlossen sind. „Schon heute finden wir für bis zu einem Drittel aller Patienten kein adäquates Bypassmaterial“, klagt Jockenhövel.

In den peripheren Gefäßen setzen Chirurgen vornehmlich Prothesen aus GoreTex ein. „Nach einem dreiviertel Jahr sind nur noch 60 Prozent dieser Bypässe offen, fast jeder Zweite muss innerhalb eines Jahr erneut operiert werden. “ Nicht so bei den gezüchteten, textilen Gefäßprothesen: Erfüllten sich die Erwartungen der Forscher auch beim Einsatz im menschlichen Körper, würde sich dadurch eine riesige Versorgungslücke in der Herzkreislaufchirurgie schließen.

Tissue Engineering als Lebensthema

Für Jockenhövel dürfte die Zulassung der textilen Implantate für die klinische Routine sein Lebenswerk abrunden. „Seit ich Ende der 1990er Jahre als junger Assistenzarzt von meinem damaligen Chef Professor Dr. Messmer an der Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie hier in Aachen den Auftrag bekam, Tissue Engineering in der Herzchirurgie zu etablieren, sind Implantate aus menschlichen Zellen mein Thema“, erinnert sich der Mediziner. Die Zusammenarbeit mit der Textiltechnik ergab sich Anfang der 2000er Jahre.

Jockenhövel hat schon immer gern in anderen Fachbereichen gewildert. Im Medizinstudium frickelte er mit Technikfreaks aus dem Maschinenbau. Bei der Industrie hat er mehrmals reingeschnuppert, außerdem kann er mechanisch konstruieren. „Ich war nicht der typische Auswendiglerner, wie es in der Medizin anfangs wichtig schien“, erinnert er sich. „Ich war eher kreativ, wollte interdisziplinär Spannendes vorantreiben, etwas Produktives schaffen.“

Das ist ihm in seinem umtriebigen Forscherleben schon mehrmals gelungen: Am Institut für Physiologie der RWTH Aachen entwickelte er im Rahmen seiner Promotion zwei Herzlungenmaschinen, eine verkaufte sich an die Industrie. Als Herzchirurg operierte er zwölf Jahre lang schwerkranke Patienten. Er forschte neben seiner klinischen Tätigkeit am Unispital und der (Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich sowie in Luxembourg. Mit jeder Station konkretisierte sich sein Lebensziel: biohybride Implantate für Menschen mit Herzproblemen herzustellen.

Textil-verstärkte Prothesen haben sich bereits bewährt

2014 sind 15 Jahre harte Arbeit zu Früchten gereift: Jockenhövel veröffentlicht weltweit als Erster positive Ergebnisse zur textilen Mitralklappe. Die Mitralklappe liegt zwischen dem linken Vorhof und der linken Herzkammer. Die nächste Etappe – klinische Studien zur vitalen Herzklappe im Schaf – steht demnächst bevor. Bereits vor fünf Jahren zeigte der Direktor der nordrhein-westfälischen Schwerpunktprofessur Biohybrid & Medical Textiles am Institut für angewandte Medizintechnik der RWTH Aachen mit seinen textil-verstärkten Gefäßprothesen, wie erfolgversprechend sein Prinzip ist: Die vitalen Gefäßprothesen schnitten deutlich besser ab als herkömmliche synthetische Gefäßprothesen. Sie waren nach sechs Monaten im Tierversuch noch völlig intakt und ohne Ablagerungen. Die Standardgefäßprothesen aus der Klinik wiesen hingegen schon deutliche Verkalkungen auf.

Auch privat läuft bei dem Wahl-Aachener alles rund, wenn derzeit auch mit Schlafmangel: Seit wenigen Wochen ist Jockenhövel zum zweiten Mal Vater. Seine Tochter kam nur wenige Meter von seinem ersten biomedizinischen Labor im Hauptgebäude der RWTH Aachen entfernt zur Welt. Als Mensch erscheint Jockenhövel gemütlich und entspannt. Trotz leichten Grauschimmers im Haar hat er etwas Jungenhaftes, fast Verschmitztes. Als Forscher wirkt wie jemand, der für seine Sache brennt. Der Stress als Herausforderung begreift. Und dem seine Bioreaktoren wichtiger sind als Ruhm, Titel und professorale Autorität: Sein Büro teilt er sichmitseiner Assistentin, sein Laptop hat schon bessere Tage gesehen,mit seinen Doktoranden duzt er sich.

Brücken bauen zwischen den Forschern

Jockenhövel ist ein wahrer Netzwerker. Täglich bringt er Ingenieure, Biotroniker, Bioverfahrenstechniker, Biologen, Mediziner oder Zahnärzte zusammen. „Fragen Sie mal einen Ingenieur und einen Biologen, was sie unter einem Gewebe verstehen“, sagt er und lacht. „Jeder bringt ein völlig anderes Verständnis und einen anderen Hintergrund mit.“ Das mache die Sache so komplex und spannend. Es erfordere aber auch ständige Übersetzung, Kommunikation, Verständigung untereinander. Jockenhövel versteht es, nicht nur zwischen der Textil- und Medizintechnikbranche Brücken zu bauen, sondern auch bei den Menschen dahinter.

In dem Neubau, der gerade für das Center für Biohybrid Medical Systems (CBMS) inklusive Jockenhövels Mannschaft entsteht, hat er dafür eine große Kommunikationszone reserviert. Auf 3.800 Quadratmetern über drei Etagen wird es Systemlabore geben, in denen mobil gestaltete und interagierende Einheiten flexibel konfiguriert werden. Im Sommer 2017 soll das moderne Forschungsgebäude bezugsfertig sein. Ziel des CBMS ist die Erforschung und Produktion verschiedener biohybrider Medizinsysteme, eben solcher wie Jockenhövels Herzklappe und Gefäßprothese.

"Wir machen Innovation, und die passiert an der Grenze zwischen den Disziplinen."

Quelle: Peter Winandy/VDI Technologiezentrum

„Es klingt google-like, aber wir machen Innovation, und die passiert an der Grenze zwischen den Disziplinen“, begründet er. „Wir brauchen daher einen gemeinsamen Raum, um eine Sprache zu lernen und Verständnis für die Problematik des anderen zu entwickeln.“ Rund 30 Wissenschaftler arbeiten in Aachen für Jockenhövel. Zählt er alle Mitarbeiter zusammen, die verteilt über die drei Standorte seiner Brückenprofessur auch in Maastricht, dem Institut für Textiltechnik und dem Helmholtzinstitut mitwirken, kommt er sogar auf 90 Leute. Für alle will der junge Professor Ansprechpartner sein, mit ihnen im Austausch stehen – trotz eines prallgefüllten Terminkalenders, eines ambitionierten Forschungsauftrages und Vortragsanfragen aus aller Welt.

Für Innovationen braucht es auch Mut zum Scheitern

Es gebe zwei wichtige Dinge, die zu beachten sind, will man Innovationen hervorbringen. „Erstens ist, wie Albert Einstein sagte, alles Denkbare auch machbar“, sagt er. Zweitens brauche man den Mut zu scheitern. „Wir machen kein typisches Projekt, wo jeder vor sich hinforscht und man später feststellt, dass die Ergebnisse nicht zusammenpassen“, unterstreicht Jockenhövel. Viel wichtiger sei es, ständig im Diskurs und auch im Prozess offen für Zweifel zu bleiben.

Bestes Beispiel sind die textilen Herzklappen. „Anfangs habe ich, wie damals üblich in der Szene, alles daran gesetzt, eine komplett körpereigene Klappe zu bauen“, erklärt Jockenhövel. Nach wenigen Jahren folgte die Erkenntnis: Eine rein biologisierte Klappe ist mechanisch instabil und lässt sich schwer reproduzieren. Der Traum des funktionierenden Bioimplantats war schnell ausgeträumt. Jockenhövel stellte damals alles in Frage, was er die Jahre zuvor gemacht hatte. „Doch plötzlich verstand ich: Es sind nicht Extreme, die uns weiterbringen, sondern intelligente Kompromisse. Also sozusagen der „Goldene Schnitt“ zwischen der technischen und biologischen Welt.“ Daraufhin entstand das professionalisierte, patentierte und vor allem biohybride Verfahren, mit dem Jockenhövel heute Bypässe, Herzklappen und Stents entwickelt.

Das biohybride Verfahren à la Jockenhövel
Aus dem Blut des Patienten werden Zielzellen gezüchtet und eine patienteneigene Fibringelmatrix produziert. Mit Hilfe eines 3D-Ultraschalls erstellen die Forscher eine individuelle Gussform für Herzklappe oder Gefäßstützen – und gießen die gezüchteten Zellen samt flüssiger Fibringelmatrix hinein. „In der Gussform, die exakt der Anatomie des Patienten entspricht, bildet sich ein artifizielles Blutgerinnsel, in dem sich die Zielzellen wie Rosinenstückchen im Kuchen homogen verteilen“, erklärt Jockenhövel. Nun wird eine stabilisierende, textile Struktur ergänzt und das Gemisch in den Bioreaktor gegeben. Hier baut das Zellgewebe mithilfe eines mechanischen Stimulus die extrazelluläre Matrix aus Kollagen, Elastin und Proteoglykane auf – und entwickelt sich zu einem soliden, druckstabilen Implantat. „Wir geben also lediglich die Form vor“, so der Forscher. „Die Ausstrukturierung der Mikroarchitektur übernimmt die Zelle selbst.“

Quelle: Peter Winandy/VDI Technologiezentrum

Um zu zeigen, wie alles begann, steuert Jockenhövel eine Glasvitrine an, die in einem der mit blassgrünem Estrich ausgelegten Flure im Helmholtzzentrum hängt. „Hier sehen Sie meine ersten Gussformen, eigenhändig modelliert aus Knetmasse“, präsentiert Jockenhövel stolz die wenige Zentimeter hohen Knetgebilde. „Auf einem langweiligen Kongress in Houston, Arizona, kam mir plötzlich die Idee, wie sie aussehen müssen“, sagt er. „Noch in der Mittagspause habe ich Knete gekauft, und los ging es.“ Seitdem ist viel Zeit ins Land gegangen – und es wurde so manche Herzklappe aus einem Zell-Fibrin-Mix gegossen. Denn Jockenhövel bastelt munter weiter an seinem Lebensziel, textile vitale Implantate in die klinische Routine zu bringen.

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