Die Belastungshypertonie ist häufig und mit negativem kardiovaskulärem Outcome assoziiert. Während Patienten mit Bluthochdruck oft einen überschiessenden Anstieg des Blutdrucks unter Belastung zeigen, kann auch bei Patienten mit normalen Ruhewerten eine Belastungshypertonie dokumentiert werden. Die prognostische Bedeutung der frühzeitigen Detektion der Belastungshypertonie bei normotensiven bzw. prähypertensiven Gesunden hinsichtlich der Entwicklung einer arteriellen Hypertonie ist klar gegeben.

Einleitung

Die Belastungsuntersuchung mittels Fahrrad- bzw. Laufbandergometrie wird im klinischen Alltag routinemässig durchgeführt. Die Messungen des Blutdrucks (BD) vor, während und nach der Untersuchung sind dabei ein wichtiger Bestandteil einer Ergometrie. (1) Der fehlende BD-Anstieg bzw. der BD-Abfall während körperlicher Aktivität kann ein Hinweis auf eine zugrundeliegende schwere kardiovaskuläre Erkrankung sein (wie etwa eine schwere koronare Herzerkrankung oder ein relevantes Klappenvitium) (2) und ein signifikanter BD-Abfall stellt so auch eine absolute Indikation für den Abbruch der Belastungsuntersuchung dar. Aber auch die hypertensive Belastungsreaktion geht aufgrund der Assoziation mit subklinischer arterieller Hypertonie mit einem erhöhten Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse und Mortalität – unabhängig von kardiovaskulären Risikofaktoren – einher (3).

Auswirkungen körperlicher Aktivität auf den Kreislauf

Dynamische körperliche Aktivität (wie Laufen oder Fahrrad fahren) steigert den metabolischen Bedarf der belasteten Muskulatur. Es kommt daher zu einer Umverteilung des Blutflusses von unter Belastung weniger aktiven Organsystemen zugunsten der aktiven Muskulatur. Vasodilatation der Arteriolen der aktiven Skelettmuskulatur führt zu einer Abnahme des peripheren Gefässwiderstands (TPR) (4). Gleichzeitig wird der kardiale Output mittels Sympathikusaktivierung, Steigerung der Herzfrequenz, sowie Optimierung der myokardialen Kontraktilität und Relaxation (positive Inotropie und Lusitropie) und vermehrtem venösen Rückfluss gesteigert. Physiologischerweise führt die dynamische aerobe Belastung linear zur Belastungsintensität zu einem signifikanten Anstieg des systolischen BDs, während der diastolische BD gleichbleibt, lediglich geringfügig ansteigt oder je nach Ausmass der Belastung bzw. der beanspruchten Muskelgruppen sogar abfällt. Der normale BD-Anstieg liegt ungefähr bei 10+-2 mmHg pro metabolischem Äquivalent und kann bei maximaler Belastung stagnieren (5). Der Anstieg des BDs unter Belastung ist vom Alter, Geschlecht und weiteren Faktoren abhängig. (Abb. 1) Mit zunehmender statischer Belastung wie z. B. bei Krafttraining kommt es zu einem Anstieg des TPR, was wiederum in einer überproportionalen Erhöhung sowohl des systolischen, als auch des diastolischen BDs resultieren kann. Regelmässige körperliche Aktivität (mindestens zwei- bis dreimal pro Woche über jeweils 60–90 Minuten) senkt sowohl den systolischen als auch den diastolischen BD signifikant durch Reduktion des TPR, Verbesserung einer endothelialen Dysfunktion, Verschiebung der vegetativen Balance zugunsten des parasympathischen Tonus’ und weiterer Faktoren wie Steigerung der Insulinsensitivität, Verbesserung des Lipidprofils (3, 6).

Definition der Belastungshypertonie

Aktuell gibt es keinen Konsensus bezüglich «cut-off»-Werten der Belastungshypertonie. Systolische Perzentilenkurven in verschiedenen Studien haben jedoch gezeigt, dass systolische BD-Werte > 210 mmHg bei Männern und > 190 mmHg bei Frauen klinisch sinnvolle Grenzwerte darstellen. Weniger gut untermauert ist der Grenzwert für den diastolischen BD, hier wird ein «cut-off» von > 110 mmHg für beide Geschlechter postuliert, wobei dieser nach klinischer Erfahrung der Autoren deutlich zu hoch angesetzt ist. (7)

Mechanismen der hypertensiven Belastungsreaktion

Der zugrundeliegende Pathomechanismus der fehlenden Ab-nahme des TPR und somit der Zunahme des BDs unter Belastung ist aktuell nicht ganz geklärt. Eine endotheliale Dysfunktion mit fehlender Vasodilatation führt vor allem bei jüngeren ­Patienten zur eingeschränkten TPR-Reduktion, während bei älteren ­Patienten eine erhöhte arterielle Gefässsteifigkeit mit Reduktion der Compliance in überschiessender BD-Reaktion resultiert. In mehreren Studien wurde zudem in Patienten mit Belastungshypertonie eine vermehrte Angiotensin II Produktion unter Belastung gemessen. (8) Die Bedeutung von Angiotensin II zeigt sich auch in einer signifikanten Reduktion der Spitzen-BD-Werte mit Angiotensin II – Rezeptor Blockern. (9)

Prognostische Bedeutung

Die prognostische Bedeutung der Belastungshypertonie wurde durch zahlreiche Studien untermauert, obwohl die methodischen Unterschiede («cut-off»-Werte der Belastungshypertonie, Zeitpunkt des Auftretens der hypertensiven Werte) einen adäquaten Vergleich der Studien erschwert. In einer 2015 publizierten Metaanalyse bestätigte sich das erhöhte Risiko für in Ruhe normotensive Patienten hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung einer Hypertonie unabhängig von anderen kardiovaskulären Risikofaktoren (10). Zudem können hypertensive BD-Werte unter Belastung mit einer maskierten arteriellen Hypertonie assoziiert sein. Bei 41% der in Ruhe normotensiven Patienten mit Belastungshypertonie wurde in einer 24-h-BD-messung eine arterielle Hypertonie diagnostiziert (11). Dies ist relevant, da eine maskierte arterielle Hypertonie mit einem vergleichbaren kardiovaskulären Risiko wie die manifeste arterielle Hypertonie einhergeht (12). Daher sollte bei Patienten mit Belastungshypertonie eine arterielle Hypertonie mittels 24-h-BD-messung gesucht werden (13). (Abb. 2) Bluthochdruck unter Belastung kann per se zu einer linksventrikulären Hypertrophie als Zeichen eines hypertensiven Organschadens führen (7). Die Entwicklung einer linksventrikulären Hypertrophie hat insbesondere Bedeutung, da diese die Neigung zu Arrhythmien und sogar zum plötzlichen Herztod erhöhen kann (14). Unabhängig von Ruheblutdruckwerten und anderen klassischen kardiovaskulären Risikofaktoren zeigte eine weitere Metaanalyse ein um 36% erhöhtes Risiko für kardiovaskuläre Events (Myokardinfarkt, Schlaganfall und Risiko für koronare Herzerkrankung) und Mortalität bei Patienten mit Bluthochdruck bei bereits moderater Belastung. Zudem wurde ein Anstieg der fatalen Ereignisse um 4% pro 10 mmHg BD-Anstieg bei moderater Belastung beobachtet (15). Die Belastungshypertonie unter maximaler Belastung besitzt weniger prognostische Aussagekraft, während die moderate Belastung der Belastungsintensität im Alltag ähnelt.

Behandlung der Belastungshypertonie

Therapeutisch steht die Lifestyle-Modifikation zur Reduktion des Risikos von kardiovaskulären Erkrankungen und arterieller Hypertonie im Vordergrund. Regelmässige körperliche Bewegung mit wechselnder Belastungsintensität, Frequenz, Dauer und Bewegungsart führt zu einer Reduktion der BD-Werte unter Belastung. Somit ist eine Belastungshypertonie bzw. eine Hypertonie Grad I (RR 140-159/90-99mmHg) kein Grund, von aerober Aktivität abzuraten. (16) Regelmässiges Ausdauertraining führt bei Hypertonikern zu einer BD-Senkung von ca. 5mmHg. Bei Patienten mit einer Hypertonie Grad II (RR 160-179/100-109mmHg) sollten jedoch körperliche Aktivitäten mit hohem statischem Anteil vermieden werden. Dies gilt besonders bei Patienten mit bereits vorliegenden Endorganschäden (wie einer hypertensiven Herzerkrankung mit Dilatation der Aorta). Der klinische Nutzen einer medikamentösen Therapie von rein unter Belastung erhöhten BD-Werten ist weiterhin umstritten, da in diesem Setting Outcome Daten fehlen. Diese sollte daher auf spezielle Patientenkollektive beschränkt bleiben (z.B. auf kompetitive Athleten mit dilatierter Aorta). Aufgrund des Stellenwerts des Neurohormons Angiotensin II in der physiologischen Reaktion auf körperliche Belastung können Angiotensin II-Rezeptor Blocker und ACE-Hemmer als medikamentöse Therapie empfohlen werden (8). Beta Blocker sind in Anbetracht des erhöhten Sympathikotonus während der körperlichen Betätigung ebenfalls möglich, sollten aber zweite Wahl sein, da diese bei längerer Einnahme zu einem erhöhten TPR führen. Die Senkung des TPR unter Belastung hat bekanntlich eine prognostische Bedeutung (17). Zudem kann die Therapie mit Betablocker zu einer Reduktion der Leistungsfähigkeit führen.

Arterielle Hypertonie bei Sportlern

Die arterielle Hypertonie ist die häufigste kardiovaskuläre Auffälligkeit in Screening-Untersuchungen bei – vor allem älteren – Sportlern. Bei Leistungssportlern sollte als mögliche Ursache einer sekundären Hypertonie der Gebrauch von nicht-steroidalen Antirheumatika, Stimulantien oder Anabolika erfragt werden. Bei hypertensiven Sportlern sollte die Indikation für eine echokardiographische Beurteilung mit Frage nach einer hypertensiven Herzerkrankung und Dilatation der Aorta grosszügig gestellt werden (18). Bei ungünstigem Trainingsverhalten bzw. fehlender Therapie kann eine Progression der Dilatation mit der Gefahr einer fatalen Dissektion auftreten (19). Die Indikation zur Therapie der Hypertonie unterscheidet sich bei Sportlern nicht von jener bei Nicht-Sportlern. Primär sollte bei Athleten eine Therapie mit ACE-Hemmern / Angiotensin II-Rezeptor Antagonisten bzw. Kalziumkanalblockern gewählt werden. Eine Therapie mit Betablockern und Diuretika sollte bei Athleten aufgrund der Reduktion der Leistungsfähigkeit und möglicher Elektrolytdysregulationen vermieden werden. Zudem sind diese Substanzen in der Dopingliste geführt.

Morbus Fabry ist eine seltene X-chromosomale lysosomale Speichererkrankung, bei der es durch Enzymmangel (α-Galacto-sidase A) zur Glykosphingolipid-Ablagerung in verschiedenen Organen, vor allem dem Herzen und den Nieren, kommt und die mittels Enzymersatztherapie behandelt werden kann. Typisch ist eine konzentrische linksventrikuläre Hypertrophie sowie Myokardfibrose, die zur Herzinsuffizienz und Arrhythmien führen kann. Letztere sind die wichtigsten Todesursachen.

Morbus Fabry ist eine X-chromosomal vererbte lysosomale Speichererkrankung mit einer weltweit geschätzten Inzidenz von 1:40 000 (1), bei der es durch Mangel des Enzyms α-Galactosidase A zur Ablagerung von Glykosphingolipiden, insbesondere Globotriaosylceramid (GB3), in verschiedenen Organen kommt (2) und die in einer Multisystemerkrankung mit vordergründig kardialer und renaler Beteiligung resultiert. Weitere Organe, die betroffen sein können, sind die Haut, die Augen und das Nervensystem. Die typische Herzmanifestation ist eine konzentrische linksventrikuläre Hypertrophie (LVH). Bei idiopathischen Formen der LVH wird mit 1-6% auch nicht selten als Ursache ein Morbus Fabry gefunden (3-6). Die Haupttodesursache bei dieser Erkrankung sind kardiovaskuläre Ereignisse, primär Arrhythmien (7). Leider werden Fabry-Patienten oft immer noch erst lange nach Symptombeginn, im Durchschnitt 13.7 Jahre bei Männern und 16.3 Jahren bei Frauen, diagnostiziert (8). Während bei Männern die Diagnose mittels Enzymaktivitätsbestimmung in den Leukozyten gestellt wird, ist bei Frauen ein Gentest diagnostisch, da sie trotz einer Erkrankung eine normale Enzymaktivität haben können.

Klinik

Bei Morbus Fabry unterscheidet man klassische von atypischen Krankheitsmanifestationen. Der klassische Phänotyp tritt bei homozygoten Männern auf, die keine Enzymaktivität aufweisen und daher oft schon früh in der Kindheit oder Jugend unter febrilen Schmerzkrisen, Akroparästhesien, Hypohidrose, Angiokeratomen und gastrointestinalen Beschwerden, vor allem Durchfall, leiden. Durch progrediente GB3-Ablagerungen kann es dann im Erwachsenenalter zu schweren Schädigungen des Herzens (Herzrhythmusstörungen und Herzinsuffizienz), der Nieren (bis hin zur Dialyse oder Nierentransplantation) und des Gehirns (zerebrovaskuläre Ereignisse) kommen (Abb. 1). Während heterozygote Frauen früher oft nur als asymptomatische Konduktorinnen galten, ist heute bekannt, dass sie genauso auch einen Vollphänotyp entwickeln können, der eher später im Leben auftritt als bei Männern. Die atypische Form ist durch eine reduzierte, aber noch nachweisbare Enzymaktivität gekennzeichnet, die mit einem späteren Symptombeginn mit Oligosymptomatik und isolierter Herz- oder Nierenbeteiligung einhergeht. Die letztere Form wird oft bei der Abklärung einer idiopathischen LVH (6, 9) oder Niereninsuffizienz entdeckt.

Fabry-Kardiomyopathie

Das Herz ist mit 68% das Organ mit der häufigsten intrazellulären GB3-Akkumulation (10,11), die in den Myozyten, Herzklappen und Gefässendothelien stattfindet und neben der Infiltration auch einen inflammatorischen und oxidativen Stress verursacht (12). Als Folge leiden über die Hälfte der männlichen Fabry-Patienten und 18- 28% der Frauen mit Morbus Fabry (13, 14) unter einer konzentrischen LVH (siehe Abb. 2) mit einer typischerweise früh einsetzenden diastolischen Dysfunktion (15,16) und im Verlauf restriktivem Füllungsmuster (17, 18). Die LVH bei Fabry unterscheidet sich in der Regel durch das Fehlen einer Ausflussobstruktion von einer idiopathischen hypertrophischen Kardiomyopathie (4) und kann auch mit einer rechtsventrikulären Hypertrophie und Dysfunktion einhergehen (19). Während bei Männern erste kardiale Beschwerden mit durchschnittlich 33 Jahren einsetzen, wurde bei Frauen ein späterer Beginn um das 40. Lebensjahr beobachtet (7). Typischerweise kommt es im Verlauf zu einer Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion (7). Aufgrund der Endothelablagerungen kann es zudem oft auch zu einer endothelialen Dysfunktion (20, 21) kommen. Möglich ist auch eine mikrovaskuläre Dysfunktion, die Angina pectoris verursacht (22). Die fortgeschrittene Fabry-Kardiomyopathie (FK) ist durch eine fibrotische Umwandlung des linken Ventrikels, die typischerweise infero-baso-lateral beginnt und nach transmural fortschreitet, gekennzeichnet (23). Diese Fi-broseareale können Rhythmusstörungen (siehe Abb. 3), darunter Sinusbradykardien, höhergradige AV-Blockierungen, und Kammertachykardien hervorrufen und infolge zum plötzlichen Herztod führen (24-26). Auch Vorhofflimmern ist bei Fabry-Patienten häufig zu finden, wobei die Inzidenz vier Mal so hoch ist wie in der Normalbevölkerung, bei über 50-jährigen Patienten sogar zwölffach erhöht (25). Bei der fortgeschrittenen FK kommt es gelegentlich auch zur Herzklappenschädigung, insbesondere zur Insuffizienz der Aorten-, Mitral- oder Trikuspidalklappe (24) sowie Erweiterung der Aortenwurzel (27). Eine weitere typische Veränderung ist ein prominenter Papillarmuskel (28) (Abb. 2).

Untersuchungen

Die transthorakale Echokardiografie ist die primäre und am leichtesten verfügbare Methode zum Screening und zur Verlaufsbeurteilung bei FK (Abb. 2). Sie ermöglicht es jedoch nicht, eine Fabrykardiomyopathie von anderen Hypertrophien abzugrenzen und eine Herzbeteiligung vor Beginn der LVH zu erkennen. Letzteres ist gerade bei Frauen relevant, da diese eine Myokardfibrose oft noch vor den Zeichen einer LVH entwickeln (29). Insgesamt haben mittlerweile 60% der Patienten bei der Diagnosestellung noch keine nachweisbare LVH (30). Durch den Einsatz neuerer Techniken (z.B. Strain Analyse und 2-D Speckle Tracking) können jedoch myokardiale regionale Unterschiede sowie eine beginnende diastolische Dysfunktion vor der LVH detektiert werden (14, 31). Den Goldstandard für die Beurteilung struktureller Veränderungen bei Morbus Fabry sowie die Feststellung von Myokardfibrosen stellt die kardiale Magnetresonanztomographie (CMR) dar. Sie ermöglicht 1. mittels «Late Gadolinium Enhancement» eine frühzeitige Erfassung von Fibrosearealen (16, 32), was von grosser prognostischer Bedeutung ist, da deren Vorhandensein und Ausmass mit dem Risiko des Auftretens potentiell lebensbedrohlicher Rhythmusstörungen korreliert (33) und bei der Indikationsstellung zur ICD-Implantation helfen kann (34), 2. mittels nativem T1 Mapping mit hoher Spezifität und Sensitivität eine FK von anderen Kardiomyopathien zu differenzieren (sehr niedriger T1 Map Wert) (19, 32, 35), und 3. Verlaufskontrollen des Remodelings unter ERT durchzuführen (10, 36). Bei Kontraindikationen für eine CMR kann die Frage nach einer mikrovaskulären Dysfunktion auch alternativ mittels kardialer Positronen-Emissions-Tomographie untersucht werden (37). Im Ruhe-Elektrokardiogramm (EKG, siehe Abb. 3) lassen sich oft charakteristische Veränderungen wie ein positiver Sokolow-Lyon-Index und präkordiale T-Wellen-Negativierungen sowie gelegentlich auch eine PQ-Zeit-Verkürzung und QTc-Zeit-Verlängerung feststellen (38). Bei allen Patienten mit Symptomen sowie bei bekannter Myokardfibrose sollte regelmässig ein Holter-EKG durchgeführt werden. Bei unauffälligem Holter-EKG und persistierendem Verdacht auf eine seltener auftretende HRST sollte die Implantation eines Event Recorders erwogen werden (39). Als Verlaufsparameter, der mit dem Fibrosegrad und dem Schweregrad der FK korreliert, kann hs-Troponin eingesetzt werden (40).

Therapie

Seit 2001 können Fabrypatienten mittels intravenöser Enzymersatztherapie (ERT) behandelt werden, die in der Regel in 14-tägigen Abständen durchgeführt wird. Die ERT ist die bisher einzige etablierte kausale und potentiell krankheitsstabilisierende Therapie (41, 42), durch die insbesondere auch das kardiale Outcome verbessert werden kann (36). Bei einigen bestimmten Mutationen ist neu seit 2016 eine orale Chaperone-Therapie (Migalastat) verfügbar (43). Ein früher Beginn der Behandlung, am besten noch vor dem Auftreten einer Myokardfibrose, ist wichtig, um den besten Therapieeffekt zu erreichen (44, 45). So ist im frühen Krankheitsstadium teilweise sogar eine Reversibilität der LVH möglich (36). Medikamentös kann durch den Einsatz von Angiotensin-Converting-Enzyme (ACE)-Hemmern oder Angiotensin-Rezeptor-Blockern eine Progression der LVH verlangsamt (46) und die Nierenfunktion stabilisiert werden (47). Ausserdem ist im Allgemeinen bei Fabrypatienten eine optimale Blutdruckeinstellung von besonderer Bedeutung (48). Bei tachykarden HRST und zur Vorbeugung ventrikulärer Rhythmusstörungen, bei Bradykardie natürlich mit Vorsicht, können Beta-Blocker eingesetzt werden. Bei bradykarden HRST sollte eine Herzschrittmacher-Implantation frühzeitig evaluiert werden (25). Aufgrund der Häufigkeit solcher Rhythmusstörungen benötigen im Krankheitsverlauf 10-20% der Patienten einen Herzschrittmacher (49). Bei fortgeschrittener FK mit LVH und Nachweis von Myokardfibrose sowie potentiell malignen ventrikulären HRST sollte eine primärprophylaktische ICD-Implantation erwogen werden (16, 50). Wegen des hohen Schlaganfallrisikos kann eine Dauertherapie mit Aspirin 100mg/Tag eingesetzt (49) und bei Vorhofflimmern unabhängig vom CHA2DS2-VASc Score antikoaguliert werden (10). Bei terminaler Herzinsuffizienz stellt eine Herztransplantation die Ultima Ratio dar. Ein relevantes Rezidiv auf dem Transplantat ist bei behandelten Patienten weder für das Herz (51) noch für die Nieren beschrieben worden (52).

Konventionelle Herzschrittmacher besitzen Batterien, welche für die Stromversorgung des Gerätes zuständig sind. Diese Batterien haben eine endliche Energiespeicherkapazität, weswegen Schrittmachergeneratorwechsel aufgrund von Batterieerschöpfung häufig sind. Schrittmacher die ohne Batterie auskommen sind darum höchst erwünscht. Reoperationen und daraus entstehende Komplikationen können so vermieden werden. Der folgende Beitrag gibt einen Einblick in die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten im Bereich der batterielosen Schrittmacher.

Schrittmacher und ihre Energieversorgung

Implantierbare Herzschrittmacher sind die Therapie der Wahl zur Behandlung relevanter bradykarder Herzrhythmusstörungen. Rasche technische Fortschritte führten bereits in den ersten Jahren nach der Einführung implantierbarer Herzschrittmacher 1958 zur Entwicklung der mittlerweile performanten Geräte. Diese offerieren heutzutage vielfältigste Funktionen. Kardiale Resynchronisation, multisite pacing, Heimüberwachung, Herzinsuffizienz- und ST-Strecken-Monitoring, Arrhythmie-Präventionsfunktionen und vieles andere mehr bieten dem versierten Anwender eine breite Palette an Möglichkeiten um auf patientenspezifische Bedürfnisse eingehen zu können. Diese Funktionalitäten erhöhen leider den Energiebedarf der Geräte – teils nur unwesentlich, teils deutlich.
Obschon die Batterietechnologie seit den Anfängen der Herzschrittmachertherapie massive Fortschritte gemacht hat, sind erschöpfte Batterien klinisch das häufigste Problem bei Herzschrittmacherpatienten. 2017 wurden in der Schweiz etwas mehr als 6 800 Herzschrittmacher implantiert (Zahlen der Arbeitsgruppe Herzschrittmacher und Elektrophysiologie der Schweizerischen Gesellschaft für Kardiologie). 23% davon waren keine Neuimplantationen, sondern lediglich Generatorwechsel, meist aufgrund erschöpfter Batterien. Damit steht die Schweiz nicht alleine da, die Rate an Schrittmacherimplantationen und speziell Generatorwechseln ist europaweit ähnlich und weiter im Steigen begriffen (1).
Von Entwicklerseite wurden Anstrengungen unternommen, die Batterie- und Gerätelebensdauer zu steigern. Beispielsweise hatten vor einigen Jahrzehnten sog. thermonukleare Schrittmacher – betrieben durch die Zerfallswärme von Plutonium 238 – eine gewisse Verbreitung gefunden und brillierten mit hoher Lebensdauer (2). Damit einhergehende sicherheitstechnische und ökologische Bedenken haben verständlicherweise dazu geführt, dass dieser Ansatz aufgegeben worden ist. Schrittmacher die von aussen durch die Haut aufgeladen werden sind wiederum aus Gründen der Patientensicherheit problematisch. Es kann nicht jedem Patienten zugemutet werden, ans regelmässige «Auftanken» des Schrittmachers zu denken.

«Energy harvesting» – oder wie könnte auf Batterien verzichtet werden?

Der Grundgedanke komplett batterieloser Geräte liegt darin, dass die für den Gerätebetrieb notwendige Energie nicht bei der Geräteimplantation mitimplantiert wird, sondern während des laufenden Betriebs gewonnen wird. Damit befasst sich das sog. «energy harvesting». Glücklicherweise ist die Leistungsaufnahme von Schrittmachern extrem klein (im Bereich einiger µW). Mit verschiedenen Ansätzen kann daher versucht werden, dem Körper irgendwo ein kleines Quäntchen Energie abzugewinnen. Nachfolgend präsentieren wir einige Ansätze, die in der Forschung verfolgt werden um batterielose Herzschrittmacher zu entwickeln.

Solarbetriebene Herzschrittmacher

Subkutane Solarzellen ermöglichen Energiegewinnung im Körper. Sonnenlicht könnte demzufolge als Energiequelle für Schrittmacher verwendet werden. Das Prinzip wurde bereits mehrfach beschrieben und getestet (3-5) und beruht auf der Umwandlung der geringen Lichtmenge im subkutanen Gewebe in elektrische Energie. Die Haut scheint eigentlich undurchsichtig zu sein, dies relativiert sich aber durch folgendes Experiment: hält man sich eine starke Taschenlampe vor die Hand, kann ein Teil des Lichtes auf der anderen Seite beobachtet werden. Insbesondere im nahen Infrarotbereich ist menschliches Gewebe erstaunlich transparent. Bashkatov et al. (6) haben die Transmission von Licht in menschlicher Haut gemessen. Die Messungen ergeben eine Transmission von 26.5% übertragener Lichtenergie (Wellenlängen 400 – 2000 nm) in einer Implantationstiefe von 2 mm. Mit der von Wettermessstationen bekannten Sonneneinstrahlung und Lichttransmission der Haut kann damit die Ausgangsleistung einer subkutanen Solarzelle abgeschätzt werden. In (Abb. 1) (rechts) ist die Auswertung der abgeschätzten Durchschnittsleistung der subkutanen Solarzellen in Europa abgebildet. Es wurde angenommen, dass sich eine Testperson von Montag bis Freitag jeweils 10 min am Mittag und zu Tagesrandzeiten der Sonne aussetzt und eine nur 3.6 cm² grosse Solarzelle 2 mm unter der sonnenexponierten Haut implantiert hat. Der grosse zentrale Punkt zeigt, ob die Durchschnittsleistung der Solarzelle im ganzen Jahr 2015 ausgereicht hätte, um den typischen Energiebedarf eines Herzschrittmachers zu decken (falls Punkt grün). Die kleinen Punkte um den zentralen Punkt zeigen, ob die monatliche Durchschnittsleistung ausgereicht hätte um den Herzschrittmacher zu versorgen. Die Grafik zeigt, dass bis auf in Nordschottland überall genug Energie hätte gewonnen werden können.
Das einfache Prinzip des solarbetriebenen Herzschrittmachers wurde in Prototypenform bereits umgesetzt (7) und erfolgreich im Labor und im lebenden Organismus getestet. Zudem untersuchten Bereuter et al. (8) in einer Langzeituntersuchung, wie viel Energie von subkutanen Solarzellen im Alltag von 32 in der Schweiz lebenden Personen gewonnen werden kann. Die Langzeitstudie zeigt vielversprechende Ergebnisse bezüglich der Umsetzbarkeit des unkonventionellen Konzepts eines solarbetriebenen Herzschrittmachers.

Bewegungsbasierte Energiegewinnung im Herzen

Eine weitere zuverlässige und performante Energiequelle stellt das menschliche Herz selbst dar. Um den Körper zu durchbluten wendet das Herz durchschnittlich rund 1 Watt an hydraulischer Energie auf – so viel wie ein heutiges Mobiltelefone durchschnittlich konsumiert. Moderne Herzschrittmacher benötigen gerade mal einige Mikrowatt. Ein weiterer Ansatz macht sich darum ein automatisches Uhrwerk zu Nutze, welches – ähnlich wie am Handgelenk einer Person – die Bewegung des Herzmuskels in elektrische Energie umwandelt (9). Das Gerät wird epikardial auf den linken Ventrikel angebracht und erfährt somit starke Beschleunigungen (Abb. 2). Eine Schwungmasse im Innern des Geräts beginnt dadurch zu oszillieren und treibt damit einen elektrischen Generator an. Die so generierte elektrische Energie wird kurzzeitig zwischengespeichert um eine Schrittmacherelektronik immer mit genügend Energie versorgen zu können. Dank der unmittelbaren Nähe zum Herzen und der kontinuierlichen Bewegung sind weder lange Schrittmacherkabel noch eine grosser Zwischenspeicher nötig (10-12). Sollte dennoch ein medizinisches Problem (Abnahme der Ventrikelkontraktilität) oder ein technischer Mangel vorliegen, könnte dies zu Energieeinbussen führen. Um eine Unterversorgung des Schrittmachers abzuwenden wird ein Zwischenspeicher als Energiereserve eingesetzt, der es dem Patienten ermöglicht einen Spezialisten rechtzeitig aufzusuchen. Damit hätte ein solches Gerät das Potenzial, eine lebenslange Energiequelle eines Herzschrittmachers zu sein. Das beschriebene Grundprinzip wird derzeit weiter verfeinert um Verträglichkeit und Implantationsart des Geräts weiter zu verbessern.
Ein wichtiger Beitrag dazu leistet ein anderes Energiegewinnungskonzept welches eine Implantation im rechten Ventrikel (und nicht epikardial) vorsieht. Das Gerät gleicht in Form und Grösse einem modernen kabellosen Einkammer-Schrittmacher und kann mittels Katheter in einem minimalinvasivem Routineeingriff endokardial implantiert werden (Abb. 3). Endokardial fest verankert wird auch dieses Gerät den Beschleunigungen des Herzens ausgesetzt. Im Innern des Geräts befindet sich ein Magnetstapel, der zwischen zwei Spiralfedern aufgehängt ist und von der Myokardbewegung in Schwingung gerät. Die Bewegung des Magnetstapels induziert Strom in den darum liegenden Kupferspulen. Eine Studie dazu hat gezeigt, dass dieses Gerät bei vielen getesteten Herzbewegungen genügend Energie genieren könnte (13). Die Effizienz dieses Prinzips müsste aber noch weiter gesteigert werden um auch bei Herzen mit «ungünstigen Bewegungen» (z.B. grossen nicht kontraktilen Bereichen nach Myokardinfarkten) noch genügend Energie liefern zu können. Allerdings wurde das System mit einem mathematischen Modell optimiert und somit ist unter gleichbleibenden Rahmenbedingungen für dieses Prinzip nur eine kleine Effizienzsteigerung denkbar. Eine Möglichkeit zur Effizienzsteigerung ist die Frequenzkonvertierung, wobei eine tiefe Frequenz (z.B. die Herzfrequenz) in eine höhere Frequenz umgewandelt wird. Diese Art der Effizienzoptimierung bewährte sich schon im Prinzip des Uhrwerks. Ein Ansatz der die Frequenzkonvertierung und die endokardiale Energiegewinnung kombiniert wird im nächsten Abschnitt vorgestellt.

Blutflussbasierte Energiegewinnung im Herzen

Eine der grossen Herausforderungen von bewegungs- oder vibrationsbasierten Energiegeneratoren ist die Nutzung der tiefen Herzfrequenz (1 Hz bei einem Puls von 60 / min). Viele elektromagnetische Generatoren benötigen möglichst hohe Beschleunigungen um effizient zu funktionieren. Daher wird untersucht wie die vergleichsweise niedrigen Beschleunigungen und tiefen Frequenzen des Herzens in höhere umgewandelt werden können (14). Ein Ansatz für die Umwandlung ist in (Abb. 4) gezeigt. Der Generator basiert auf dem elektromagnetischen Energieumwandlungsprinzip. Ein einseitig fixierter Spulenträger wird am nicht-fixierten Ende durch einen Hebelarm ausgelenkt und anschliessend schlagartig in eine hochfrequente freie Vibration entlassen (15). Der Hebelarm wird durch den niederfrequenten Blutfluss ausgelenkt. Die freie Vibration des Trägers hat eine um Faktor 100 höhere Frequenz als die native Herzfrequenz. Diese Frequenzkonversion erlaubt eine effiziente Energieumwandlung und die Generierung von genügend nutzbarer Energie um einen Herzschrittmacher betreiben zu können.

Vergleich der Methoden und Zukunftsausblick

Die oben präsentierten unterschiedlichen Ansätze zur Energiegewinnung im menschlichen Körper weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Um beispielsweise die Batterien konventioneller Herzschrittmacher zu ersetzen, scheint ein solarbasiertes Verfahren möglich, Robustheit und Langlebigkeit von Solarzellen sind bekanntermassen gut. Allerdings müsste eine Implantation ehestens im Sonnenlichtexponierten Halsbereich stattfinden, was dort wiederum störend empfunden werden könnte. Die modernen kabellosen Herzschrittmacher könnten wiederum gut von endokardialen «energy harvestern» profitieren. Die kabellosen Schrittmacher werden direkt in den rechten Ventrikel implantiert, werden dort über die Zeit eingekapselt und können danach nicht mehr einfach entfernt werden. Eine erschöpfte Batterie hat zur Folge, dass ein weiteres Gerät implantiert werden muss und das alte als «Elektronikschrott» im Herzen verbleibt. Ein endokardialer «energy harvester» im selben Gehäuse wie die Schrittmacherelektronik wäre eine vielversprechende Alternative zu Batterien und könnte einem solchen Schrittmacher eine längere Lebensdauer verleihen.
Nebst den in dieser Arbeit erwähnten technischen Lösungsansätzen wird auch an «biologischen Herzschrittmachern» geforscht (16). Beispielsweise könnte biologisch mittels Gentransfer die Exprimierung exzitatorischer Ionenkanäle gesteigert werden. Auch mögliche künftige Fortschritte in der Batterieetechnologie stehen in Konkurrenz zu den Ansätzen des «energy harvestings». Inwieweit sich die Energiegewinnung im Körper in Zukunft durchsetzen kann, hängt von vielen weiteren Faktoren ab (17). Dem Wunsch nach längerer Lebensdauer der Geräte seitens Patienten und Ärzteschaft könnte damit aber entsprochen werden.