Perfusionssysteme werden in der biomedizinischen Forschung und vor allem in mikrophysiologischen Systemen, wie Organ-on-a-Chip-Modellen eingesetzt, um einen realitätsnahen Fluss von Nährlösungen, Zellkulturmedien oder Blutäquivalenten zu simulieren und so die natürlichen Bedingungen im menschlichen Körper nachzubilden.

Das Forschungsteam hat dafür ein neuartiges Perfusionssystem namens HemaDyne entwickelt. Es handelt sich dabei um einen kompakten, mechanischen Pumpmechanismus, der ohne zusätzliche Geräte wie Druck- oder Vakuumquellen auskommt. Die Pumpe nutzt eine Art "Akkordeonflasche" mit Bälgen, deren Volumen durch einen Software-gesteuerten Kolben verändert wird. Dadurch werden präzise Druck- und Flusswellen erzeugt. Er wurde mit herkömmlichen Perfusionssystemen wie Spritzen-, Peristaltikpumpen oder pneumatischen Pumpen verglichen und zeigte eine deutlich höhere Flussstabilität sowie schnellere Reaktionszeit. 

Ziel ist es, realitätsnahe hämodynamische Flussprofile zu erzeugen. Ein hämodynamisches Flussprofil beschreibt die charakteristischen Merkmale des Blutflusses in einem Blutgefäß über die Zeit, die im Körper durch den Herzschlag (Herzzyklus) beeinflusst werden und verschiedene Phasen (z.B. Systole und Diastole) aufweisen. 

Mit HemaDyne konnten z.B. menschliche Endothelzellen in einem Gefäß-Chip bis zu 60 Tage lang unter physiologischen Flussbedingungen kultiviert werden – weitaus länger als üblich. Die Zellen blieben dabei funktional und zeigten keine Anzeichen von Stress oder Entzündung. Mit dem System wurde zudem der Einfluss der diastolischen Ruhephase (Ruhephase zwischen Herzschlägen) auf die Endothelfunktion  untersucht. Die Forscher:innen fanden heraus, dass eine physiologische Ruhephase die Integrität und Gesundheit der Endothelzellen fördert, während das Fehlen oder eine überlange Ruhephase zu Zellschäden führt. Außerdem konnten sie zeigen, dass altersassoziierte, pathologische Flussumkehrungen (retrograde Flüsse) zu endothelialen Funktionsstörungen führen – ein Effekt, der in Tiermodellen nicht nachgebildet werden kann. 

Originalpublikation:
Kumar, A., Pattanshetti, S., Patel, R.D. et al. (2026). Hemadyne: accordion-inspired perfusion for microphysiological systems. Nat Commun 17, 6194. https://doi.org/10.1038/s41467-026-73722-9