Aortenaneurysmen: Mediziner und Ingenieure entwickeln Vorhersagemodell

Sechs bis acht Prozent der Männer über 60 Jahre leiden unter Aneurysmen – einer krankhaften Erweiterung einer Arterie, häufig im Bauchraum.

Wenn eine solche Erweiterung reißt, ist dies lebensbedrohlich: 70 bis 90 Prozent der Patienten überleben eine solche Ruptur nicht, sie verbluten innerlich. Ein Aneurysma kann operativ behandelt werden, doch die Operation ist mit erheblichen Risiken verbunden: Der Bauchraum wird geöffnet, um die direkt vor der Wirbelsäule liegende Aorta zu erreichen und eine Gefäßprothese einzunähen.

Ein solcher Eingriff ist eine beträchtliche Belastung für den Patienten. Der Arzt muss daher das Rupturrisiko und das immanente Operationsrisiko abwägen, wobei sich die Entscheidung bislang vor allem auf die Größe des Aneurysmas stützt. Allerdings gibt dieses Kriterium die Rupturgefährdung nur unzureichend wieder. An der Technischen Universität München (TUM) entwickeln Ingenieurwissenschaftler mit Medizinern nun neue Beurteilungsmethoden zur Risikoevaluation der Erkrankung.

Im Rahmen der Exzellenzinitiative geförderten International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE) versuchen Ingenieurwissenschaftler und Mediziner dieses Problem nun in einem interdisziplinären Projekt zu lösen, um in Zukunft unnötige Operationen vermeidbar zu machen. Die Ingenieure vom Lehrstuhl für Numerische Mechanik von Prof. Wolfgang A. Wall bringen dabei modernste Ingenieurwissenschaften und eine Reihe bahnbrechender Neuentwicklungen in die medizinische Forschung mit ein: Die ganzheitliche Simulation der Interaktion von Blutdruck und Arterienwand mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM). Gemeinsam mit Medizinern der Klinik für Gefäßchirurgie unter Leitung von Prof. Hans-Henning Eckstein am Klinikum Rechts der Isar, die sich auf diese Operationen spezialisiert haben, erarbeiten sie neue Methoden mit denen sie international an vorderster Forschungsfront stehen.

Derzeit wird eine Studie mit einer Reihe von Patienten durchgeführt, die bereits für eine Operation vorgesehen sind. Aus Computertomographiebildern, die für die Operationsplanung angefertigt werden müssen, wird von den Ingenieuren ein patientenspezifisches, dreidimensionales Modell des Aneurysmas erstellt, eine Simulation ausgeführt und die Bereiche hoher mechanischer Belastung der Wand berechnet. Zudem wird in der Nuklearmedizinischen Klinik von Prof. Markus Schwaiger eine Positronen-Emissions-Tomographie des Patienten angefertigt, die zur Visualisierung der Stoffwechselaktivität in der Aortenwand dient. Die Simulationsdaten und die Informationen über die Stoffwechselaktivität werden dem projektbetreuenden Gefäßchirurgen Dr. Christian Reeps übermittelt, so dass er während der folgenden Operation gezielt Gewebeproben aus auffälligen Gefäßwandbereichen für mechanische und histologische Untersuchungen entnehmen kann.

In der mechanischen Untersuchung der Proben wird das mechanische Probeverhalten und die Reißfestigkeit gemessen. Die im Versuch gewonnenen Daten werden mit den simulierten Belastungen und Stoffwechselaktivitäten an der Probeentnahmestelle abgeglichen. Zusammenhänge zwischen klinisch nicht-invasiv messbaren Größen und Arterienwandeigenschaften sollen so erkannt werden. Die Simulationen können damit an die von Patient zu Patient stark schwankenden realen Bedingungen im menschlichen Körper angepasst und verbessert werden. Eine Vorhersage des individuellen Rupturrisikos wird möglich.

„Die Simulationen geben uns schon jetzt ein sehr gutes Bild von der Wirklichkeit,“ erklärt Dr. Michael Gee vom Lehrstuhl für Numerische Mechanik. „Im Moment arbeiten wir daran, unsere Modelle an einer statistisch relevanten Anzahl von Aneurysmen zu erproben.“ In naher Zukunft – wenn das Modell ausgereift und validiert ist – kann mit der an der TUM entwickelten Methode vorhergesagt werden, ob eine Operation erforderlich ist, ob ein Aneurysma reißen wird. „Das ist das Ziel, worauf wir hinarbeiten. Wir können dann im Voraus sagen: Nein, eine OP dieses Ausmaßes ist hier nicht nötig,“ so Christian Reeps. Viele der schwierigen und langwierigen Operationen können den Patienten so in Zukunft erspart werden.

Obwohl das Projekt an der TUM erst seit etwas über einem Jahr verfolgt wird, forschen die Wissenschaftler an der Weltspitze. Das liegt nicht zuletzt an der hervorragenden interdisziplinären Zusammenarbeit aller beteiligten Institute, was auch bedeutet, dass die Ingenieurwissenschaftler mal einer Operation beiwohnen und sich die von ihnen im Vorfeld simulierte Aorta in Wirklichkeit ansehen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse motivieren und geben eine deutlich verbesserte Vorstellung von den realen Verhältnissen im Körper. „Eine komplexe Fragestellung dieser Größenordnung ist eine tolle Herausforderung und kann nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden. Hierfür bildet die im Rahmen der IGSSE eingerichteten Projektgruppe perfekte Arbeitsvoraussetzungen, mit dem Erfolg, dass das Rupturrisiko des einzelnen Patienten bereits wesentlich besser eingeschätzt werden kann,“ so Michael Gee.

Die International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE) ist eine Einrichtung der Technischen Universität München (TUM). Gegründet wurde sie im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Ländern im Jahr 2006. Ziel der Graduate School ist die Förderung von interdisziplinärer Spitzenforschung im Bereich der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Medizin. Neben der Finanzierung von Nachwuchsgruppen setzt die IGSSE auf die individuelle Förderung von Doktorandinnen und Doktoranden.

Bildmaterial und weitere Informationen:
Andreas Maier
a.maier@lnm.mw.tum.de