Sich über Hydrocephalus schlau machen
Wir halten es oft für selbstverständlich, dass die medizinische Wissenschaft immer schneller voranschreitet und dass ein besseres Verständnis fast zwangsläufig zu einer besseren Behandlung führt. Doch wenn es um das weit verbreitete Problem des Hydrocephalus geht, das schon Hippokrates und anderen Ärzten der Antike bekannt war, wenden Ärzte immer noch eine Methode an, die erst 1949 entwickelt wurde, um diesen potenziell tödlichen Zustand zu lindern.
Hydrocephalus bezeichnet eine Ansammlung von überschüssiger Flüssigkeit in den Hohlräumen des Gehirns (den sogenannten Ventrikeln), die sich dadurch vergrößern und möglicherweise den Druck auf das Gehirn erhöhen.Er ist weltweit alles andere als ungewöhnlich. In den USA wird etwa 1 von 500 Babys mit einem Hydrozephalus geboren, wobei sich die Krankheit in den ersten beiden Lebensjahren am häufigsten entwickelt. Auch ist er nicht auf Kinder beschränkt: Bei Erwachsenen kann er jederzeit auftreten, insbesondere nach einer intrakraniellen Infektion oder Blutung oder nach dem 60. Lebensjahr auftreten, wobei die Prävalenz mit dem Alter zunimmt. In dieser Altersgruppe ist es sogar sehr wahrscheinlich, dass die Krankheit unterdiagnostiziert wird, wenn die Symptome auf die Alzheimer- oder Parkinson-Krankheit zurückgeführt werden können. Das bedeutet natürlich, dass viele Menschen - bis zu 10 % der Demenzpatienten - mit einer behandelbaren und nicht mit einer degenerativen Erkrankung leben könnten. Stellen Sie sich nur vor, was das für die Lebensqualität bedeuten könnte, nicht nur für die Betroffenen, sondern auch für ihre Angehörigen und Betreuer.
Der Durchbruch, der vor 70 Jahren kam
Die Folgen eines unbehandelten Hydrocephalus reichen von Hirnschäden bis hin zum Tod, aber glücklicherweise ist die chirurgische Behandlung sehr wirksam. Vor etwa einem Jahrhundert begannen Chirurgen mit der Entwicklung von Shunts, um die Flüssigkeit aus dem Gehirn in die Bauchhöhle abzuleiten. Mit der Einführung von Ventilen (zwischen 1949 und 1960) wurden sie wirklich nützlich, da sie es ermöglichten, die überschüssige Flüssigkeit automatisch abzuleiten - entweder auf der Grundlage eines voreingestellten Druckniveaus oder einstellbar durch den Arzt - und so die Ergebnisse erheblich zu verbessern.
Aber es gibt immer noch Einschränkungen. Zum Beispiel kann die Schwerkraft zu einer Überdrainage führen, wenn der Patient aufrecht steht, und Verstopfungen oder Infektionen sind keine Seltenheit. Außerdem sind die Differenzdruckventile, die auf der 70 Jahre alten Technologie basieren, einfach nicht genau genug, um durchgängig gute Ergebnisse zu liefern. Ist es nicht Zeit für ein Update?
Seit Beginn ihrer Doktorarbeit im Jahr 2008, als sie zum ersten Mal mit Neurochirurgen über die Probleme bei der Behandlung von Hydrocephalus sprach, widmet sich Dr. Marianne Schmid Daners (mit einem Hintergrund in Maschinenbau und Krankenpflege) der Herausforderung, einen Shunt für das 21. Ein großes Handicap war der große Mangel an Wissen über die Krankheit und die besten Parameter zur Steuerung des Shunts. Nach ihrem Doktorat verfolgte Marianne einen zweigleisigen Ansatz, der sowohl auf Grundlagenforschung als auch auf Anwendung ausgerichtet war und vom Schweizerischen Nationalfonds bzw. von Innosuisse finanziert wurde. Alle Projekte wurden in enger Zusammenarbeit mit der Universität Zürich, dem Universitätsspital Zürich und internationalen Partnern durchgeführt.
Während der grundlegenden Untersuchungen wurden kraniospinale, kardiovaskuläre und abdominale Drücke bei gesunden erwachsenen Schafen gemessen und in Abhängigkeit von Haltungsänderungen und Eingriffen wie Bolusinjektionen oder medikamentösen Reizen quantifiziert. Aus diesen Ergebnissen schloss das interdisziplinäre Team, dass zur bedarfsgerechten Steuerung der Shuntdrainage der intrakranielle Druck, der Fluss durch den Shunt und die Körperhaltung berücksichtigt werden sollten, damit der Shunt auf physiologische Bedingungen reagieren kann.
Das anwendungsorientierte Projekt konzentrierte sich auf die Entwicklung eines neuartigen Sensors, des Shuntdesigns und der Steuerung sowie eines Aktuatorsystems zur Erzeugung eines hydrozephalusähnlichen Zustands bei Schafen. Gemeinsam mit Fabian Flürenbrock und Professorin Melanie Zeilinger wurden mit dem Fokusprojekt VIEshunt (VIE steht hier für ventrikulärer, intelligenter und elektromechanischer Shunt) grosse Fortschritte gemacht - ein revolutionärer erster Versuch einer automatisierten Steuerung, der Fabian den Young Investigators Award auf der Hydrocephalus-Konferenz 2022 einbrachte. Der VIEshunt verfügt sogar über Datenkommunikationsfunktionen, die einen noch nie dagewesenen Einblick in die interne Funktionsweise des Shuntsystems und den Gesundheitszustand des Patienten ermöglichen. Dies ermöglicht es, Fehlfunktionen und Komplikationen vorzubeugen, und kann potenziell für eine maßgeschneiderte individuelle Therapie genutzt werden.
Der VIEshunt bildete die Grundlage für das NCCR Automation-Nachfolgeprojekt "Sichere lernbasierte Steuerung eines Liquor-Shunts mit aktivem Ventil", das unter anderem das Ziel verfolgte, zu untersuchen, wie man relevante Vital-Signale überwachen und Abschätzungen über den aktuellen Krankheitszustand ableiten kann, wie man die Drainage der Liquorflüssigkeit (CSF) robust steuern und an die Bedürfnisse des Patienten anpassen kann und wie die physiologische Steuerung sicher aus Rückmeldungen lernen kann, um die Shuntsteuerung zu optimieren und zu personalisieren.
Um den gewünschten Fortschritt zu erzielen, wird das Projekt einerseits frühere Arbeiten zur quantitativen Untersuchung der Liquordynamik nutzen, die mathematische Modelle als Grundlage für Design und Tests liefern, und andererseits das mechatronische System VIEshunt, das mit seinen Sensoren, Aktoren und eingebetteten Reglern die Umsetzung und den Einsatz fortschrittlicher Kontrollstrategien ermöglicht, die bisher noch nicht versucht wurden.
Das Ziel ist nicht nur, die Liquordrainage sicherer und physiologischer zu machen, sondern auch Ärzten und Klinikern ein besseres Verständnis der Krankheit zu ermöglichen, indem erstmals eine detaillierte Langzeitüberwachung der Patienten möglich wird. Dies wiederum dürfte die Gestaltung künftiger Shunt-Systeme und Steuerungsalgorithmen verbessern und zu einer nachhaltigen Verbesserung der Hydrozephalus-Therapie führen.
Wir wissen immer noch nicht, was diese Krankheit verursacht, und trotz der enormen Auswirkungen, die sie auf eine große Zahl von Betroffenen hat, hat sie nicht die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, die Problemen wie Herzerkrankungen zuteil wird. Wir haben jedoch eine Menge darüber gelernt. Quantitative Bewertungen und intelligente Shunts könnten uns helfen, noch mehr zu lernen - und werden sicherlich zu einer viel besseren Patientenversorgung beitragen. Das macht den neuartigen automatischen Shunt, der an der Spitze der Mechatronik und der medizinischen Wissenschaft entsteht, zu einem besonders spannenden Beitrag zur globalen Gesundheit und zum Wohlbefinden.
Text von Robynn Weldon.
