Analyse von Aortenklappenprothesen mit fortschrittlicher kardiovaskulärer Bildgebung – ein patientenspezifischer, umgekehrter translationaler Ansatz

Warum die Wahl der Herzklappe wichtig ist

Da immer mehr Menschen ein Alter erreichen, in dem Herzklappen verschleißen, ersetzen Ärzte diese winzigen Tore im Herzen zunehmend durch künstliche Klappen. Heute erhalten viele Patientinnen und Patienten Klappen, die über ein Blutgefäß eingeführt werden und so eine offene Herzoperation vermeiden, während andere neuere „rapid-deployment“-Operationsklappen erhalten, die den Eingriff beschleunigen sollen. Diese Geräte sind jedoch nicht alle gleich. Die vorliegende Studie blickt unter die Haube von vier weitverbreiteten Aortenklappenprothesen, um zu sehen, wie sie den Blutfluss wirklich beeinflussen, und nutzt dazu ein lebensgroßes, 3D-gedrucktes Modell der Aorta einer Patientin sowie moderne Bildgebungsinstrumente.

Aufbau eines realistischen Prüfstands

Die Forschenden begannen mit einer hochauflösenden CT-Untersuchung einer Frau, deren natürliche Aortenklappe ersetzt werden musste und deren Klappenöffnung relativ klein war – eine häufige und klinisch herausfordernde Situation. Aus dieser Aufnahme rekonstruierten sie digital ihren Aortenwurzelbereich und den Aortenbogen und druckten dann ein flexibles, transparentes Modell ihrer Aorta im 3D-Verfahren. In identische Kopien dieses Phantommodells setzten sie vier moderne biologische Klappen ein: zwei Rapid-Deployment-Operationsklappen und zwei kathetergestützte Klappen, wie sie bei transkatheterem Aortenklappenersatz verwendet werden. Eine computergesteuerte Pumpe drückte eine blutähnliche Flüssigkeit durch das System und ahmte dabei normalen Herzschlag, Druck und Durchfluss nach, sodass jede Prothese unter denselben lebensechten Bedingungen getestet werden konnte.

Blutbewegung in vier Dimensionen beobachten

Um zu sehen, wie jede Klappe den Blutfluss veränderte, kombinierte das Team zwei fortgeschrittene Bildgebungsverfahren. Vector-Flow-Ultraschall lieferte in Echtzeit Karten darüber, wie schnell und in welche Richtung die Flüssigkeit an wichtigen Querschnitten der aufsteigenden Aorta strömte. Die vierdimensionale Fluss-MRT (4D-Flow-MRT) erfasste anschließend die vollständigen dreidimensionalen Strömungsmuster über die Zeit, sodass die Forschenden detaillierte Größen berechnen konnten, etwa Wandschubspannung (die Reibung des Bluts entlang der Gefäßwand), Druckabfälle entlang der Aorta, kinetische Energieverluste und die effektive Öffnungsfläche, durch die das Blut tatsächlich passierte. Zusammen zeigten diese Messungen nicht nur, ob Blut durch die Klappe gelangte, sondern auch, wie gleichmäßig oder turbulent es stromabwärts floss.

Unterschiedliche Klappen, unterschiedliche Strömungsbilder

Die Studie ergab, dass die beiden kathetergestützten Klappen und die beiden Rapid-Deployment-Operationsklappen deutlich unterschiedliche Strömungsverhalten erzeugten, obwohl alle formal so dimensioniert waren, dass sie zur Anatomie derselben Patientin passten. Allgemein erzeugten die Rapid-Deployment-Klappen höhere durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeiten als die kathetergestützten Klappen, während letztere tendenziell einen dreiecksförmigeren Austrittsstrahl bildeten. Ein Rapid-Deployment-Modell zeigte besonders hohe kinetische Energieverluste und Druckgradienten entlang der Aorta, was bedeutet, dass mehr Energie beim Durchdrücken des Bluts durch und hinter der Klappe verloren ging. Im Gegensatz dazu ließ eine andere Rapid-Deployment-Klappe mit einer etwas größeren effektiven Öffnungsfläche das Blut mit weniger Widerstand und geringerem Energieverlust passieren, obwohl sie für dieselbe nominale Annulusgröße gekennzeichnet war.

Feine Strömungsmuster und Gefäßbelastung

Als das Team die auf die Gefäßwand wirkenden Kräfte untersuchte, beobachtete es Bereiche erhöhter Schubspannung an vorhersehbaren Stellen: in der Nähe der Aortenwurzel, entlang der Außenkurve der aufsteigenden Aorta, am Bogen und in Teilen der absteigenden Aorta. Diese Hotspots traten bei allen vier Klappen auf, und es gab keine dramatischen Unterschiede darin, wo sie zwischen Operations- und kathetergestützten Geräten auftraten. Dennoch unterschieden sich Verteilung und Stärke der Strömungsstrahlen und Wirbelmuster in einer Weise, die über viele Jahre relevant sein könnte und möglicherweise beeinflusst, wie sich die Gefäßwand umgestaltet oder wie gut eine bestimmte Patientin oder ein bestimmter Patient eine Prothese verträgt.

Hin zu einer personalisierteren Klappenwahl

Für Nicht-Spezialisten lautet die Kernbotschaft, dass die Wahl einer Herzklappe nicht so einfach ist wie das Anpassen einer Größenangabe an eine gemessene Öffnung. In diesem sorgfältig kontrollierten, patientenspezifischen Modell verhielten sich Klappen, die für dieselbe Anatomie vorgesehen waren, recht unterschiedlich; eine Rapid-Deployment-Klappe erwies sich insgesamt als am energieeffizientesten und gefäßschonendsten. Die Arbeit zeigt, dass 3D-gedruckte Aorten in Kombination mit fortschrittlicher Bildgebung als eine Art Teststrecke für neue und bestehende Klappen dienen können und Ärzten helfen, vorherzusagen, wie sich ein Gerät in einem bestimmten Körper verhalten wird. Im Laufe der Zeit könnten solche Ansätze zu klareren Standards für Klappenauswahl und -größen führen, Fehlanpassungen zwischen Klappen und Patientinnen bzw. Patienten reduzieren und es erleichtern, lebensrettende Klappentherapien individueller zuzuschneiden.

Zitation: Grefen, L., Herz, C., Flexeder, J. et al. Analysis of aortic valve prostheses using advanced cardiovascular imaging—a patient-specific reversed translational approach. Sci Rep 16, 9334 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44295-w

Schlüsselwörter: Aortenklappenersatz, Herzklappenprothese, 3D-gedruckte Aorta, 4D-Flow-MRT, transkatheter Klappe