Sztuczne serca


18-10-2021 21:47:04

Choroby serca są jedną z głównych przyczyn zgonów na świecie. Ratunkiem są przeszczepy serca, ale jego dawców brakuje, więc chorzy z niewydolnością obu komór serca muszą czekać...

Niewydolność serca to stan, w którym nie zaspokaja ono metabolicznych potrzeb organizmu i nie pompuje odpowiedniej ilość krwi do narządów naszego organizmu wraz z tlenem niezbędnym do ich funkcjonowania. Wpływa przede wszystkim na lewą komorę serca, a następnie na prawą komorę, prowadząc do dwukomorowej niewydolności serca. A mózg, wątroba i nerki nie otrzymują wystarczającej ilości składników odżywczych i tlenu, aby prawidłowo funkcjonować. Czy antidotum będzie sztuczne serce?

Od przeszczepu do wszczepienia

W Klinice Kardiochirurgii Wojewódzkiego Ośrodka Kardiologii (obecnie Śląskie Centrum Chorób Serca - SCCS) w Zabrzu prof. Zbigniew Religa (1938-2009), dokonał (15.08.1985) pierwszej w Polsce operacji na sercu. A w listopadzie zespół lekarzy pod jego kierownictwem przeprowadził pierwszy udany zabieg przeszczepienia serca w Polsce. W ówczesnym Instytucie Kardiologii im. Prymasa Tysiąclecia Stefana Kardynała Wyszyńskiego w Warszawie - Aninie dokonano (26.06.2013) eksperymentalnej operacji wszczepienia, 50-letniemu mężczyźnie ze skrajną niewydolnością serca, protezy serca z rodziny „Religa Heart”. Wykonał ją zespół pod kierunkiem dr. n. med. Grzegorza Religi (syna prof. Z. Religi). Przenośny sterownik pneumatycznych protez serca jest zasilany z baterii, dzięki czemu pacjent jest bardziej mobilny, a wspomaganie jego serca odbywać się może również poza szpitalem.

- Jego wszczepienie było kolejną modyfikacją istniejącego systemu POLVAD. Zabieg nie różnił się od wykonywanych już od 1999 r., wykorzystujących sterowane pneumatycznie, membranowe pompy wytwarzanych w zabrzańskiej  Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii, ale urządzenie było zmodernizowane - wyjaśnia dr n. med. Krzysztof Kuśmierski (technik elektronik, absolwent Technikum Mechaniczno-Elektrycznego im E. Konopczyńskiego w Warszawie) - kierownik Kliniki Kardiochirurgii i Transplantologii Narodowego Instytutu Kardiologii (NIK).

W SCCS wykonano (4.07.2018) implantację sztucznego serca TAH (Total Artificial Heart) pacjentowi,  cierpiącemu z powodu krańcowej niewydolności krążenia, u którego inne formy terapii zawiodły lub były niewskazane. Wycięty w całości narząd zastąpiono wszczepionym – co ciekawe - nie stosowanym jeszcze w Polsce sztucznym sercem firmy Syncardia, z innym systemem pompy wewnątrz klatki piersiowej. Wykonane z tworzywa sztucznego urządzenie składa się z 2 komór i 4 mechanicznych zastawek. Zasilane sprężonym powietrzem z zewnętrznego kompresora, pulsacyjnie pompują krew do ciała pacjenta zastępując pracę obu komór serca.

Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii

W 1991 r. założył ją prof. Z. Religa (nosi jego imię). Wchodząca w jej skład Pracownia Sztucznego Serca opracowuje  rozwiązania technologiczne protez serca, stosowanych w praktyce klinicznej, w zależności od rodzaju niewydolności serca oraz przyjętej strategii leczenia. Jej dziełem - jak można przeczytać na jej stronie - są pneumatyczne pulsacyjne protezy pozaustrojowe. Przykładem jest pozaustrojowy system wspomagania serca POLCAS, zastosowany u ponad 300 pacjentów, pod postacią pulsacyjnej protezy serca POLVAD-MEV wraz z wewnątrz szpitalnym sterownikiem POLPDU 401. Jest to pozaustrojowy system wspomagania serca POLCAS, wdrożony do praktyki klinicznej - pierwsza aplikacja w 1995 r.

Zbudowany jest z najnowocześniejszych  biomateriałów, o najwyższej biozgodności i wytrzymałości, pozwalających na wydłużenie czasu pracy nawet do 3 lat. Po raz pierwszy zastosowano tu polimerowo-tytanowe, polskie zastawki dyskowe. Ma zoptymalizowaną konstrukcję czaszy krwistej, specjalne zabezpieczenia kaniul łączących z mięśniem sercowym i nowy układ membranowy, a także zastawkę. Są to rozwiązania konstrukcyjne eliminujące czynniki ryzyka,  zidentyfikowane w klinicznym stosowaniu pierwszych, polskich protez serca.

W portfolio Fundacji są też pneumatyczna pulsacyjna proteza częściowo wszczepialna do ciała pacjenta - POLVAD-IMPL, zbudowana z wykorzystaniem elastycznej nanowarstwy azotku tytanu naniesionej na biozgodny polimer. Prototyp pulsacyjnej implantowalnej pompy wspomagania serca ReligaHeart IMPL jest opracowany i przebadany wstępnie in vitro i in vivo w ramach programu „Polskie Sztuczne Serce” a także elektrohydrauliczne i wirowe protezy częściowo wszczepialne do ciała pacjenta. Także pneumatyczna pełna proteza serca (POLTAH), wdrożona do produkcji i wykorzystana eksperymentalnie w leczeniu klinicznym.    

Letnie przeszczepy

Chirurdzy ze Szpitala Uniwersyteckiego Duke w Durham (Karolina Płn., USA) dokonali (19.07.2021) pierwszego komercyjnego wszczepienia 39-letniemu mężczyźnie TAH (total artificial heart), czyli całkowicie sztucznego serca. Aeson francuskiej firmy Carmat ma kształt zbliżony do ludzkiego i został zaprojektowany oraz zrobiony tak, aby naśladować prawdziwe serce. Składa się z 2 komór i 4 biologicznych zastawek, dzięki czemu nie tylko przypomina prawdziwy organ, ale także działa jak on. Zasilany bateriami mechanizm o masie 900 g pracuje jak mechaniczna pompa regulująca przepływ krwi - małe silniki elektryczne pompują krew do aorty lub do pnia płucnego. Po podłączeniu powiela działanie normalnego serca, zapewniając mechaniczne wsparcie krążenia i przywracając prawidłowy przepływ krwi przez organizm. Biologiczne zastawki zmniejszają ryzyko zakrzepicy i krwotoku. Ma też czujniki i oprogramowanie umożliwiające samoregulację zakresu przepływu krwi. Informuje lekarzy o stanie układu sercowo-naczyniowego pacjenta, jak np. ciśnienie tętnicze i ciśnienie w tętnicy płucnej. Dane te poinformują lekarzy o ustąpieniu nadciśnienia płucnego, co umożliwi dokonanie przeszczepu serca.

Pacjent  nosi torbę o masie 4 kg, w której są kontroler i 2 zestawy ładowanych baterii (wystarczają na 4 h pracy) oraz płyn wytwarzający efekt „bicia serca” (praca pompy jest zsynchronizowana z czujnikami i mikroprocesorami w samej protezie). Implant jest połączony z aortą, która rozprowadza krew tętniczą do wszystkich tkanek, a także tętnicą płucną, która pompuje krew do płuc w celu jej natlenienia.

- Ideą tego serca, które narodziło się prawie 30 lat temu, było stworzenie urządzenia, które miałoby zastąpić przeszczep serca, urządzenia, które działa fizjologicznie jak ludzkie serce, pulsującego, samoregulującego się i kompatybilnego z krwią - wyjaśniła agencji Reuters Stéphane Piat, dyrektor generalny Carmat.

Firmę założyły w 2008 r. francuskie firmy Matre Defense (Airbus Group) i Truffle Capital oraz francuski kardiochirurg Alain Carpentier (ur. 1933 r.). Początkowo ich wyrób był tylko rozwiązaniem tymczasowym dla pacjentów ze zdiagnozowaną schyłkową niewydolnością serca, którzy zostaną poddani przeszczepowi serca w ciągu 180 dni. Obecnie jej celem jest zapewnienie trwałego rozwiązania w leczeniu nieuleczalnej niewydolności serca.. W grudniu 2019 r. rozpoczęto produkcję w nowym zakładzie w Bois d’Arcy.

Jerzy Bojanowicz

Wybrana historia

1937 r. - pierwsze sztuczne serce wykonał radziecki naukowiec Vladimir Petrovich Demikhov (1916-98), który wszczepił je psu.

1951 r. - amerykański chirurg John Heysham Gibbon (1903 - 73), pionier kardiochirurgii, wynalazca sztucznego płucoserca, skonstruował sztuczne serce. Pierwszego pacjenta udało się utrzymać przy życiu przez 80 min.

1968 r. - amerykański kardiochirurg Denton Arthur Cooley (1920 – 2016) przeprowadził przeszczep serca, który był bardziej udany niż poprzedników - pacjent przeżył 204 dni. W następnym roku wykonał 22 przeszczepy serca.

1982 r. - na Uniwersytecie Utah (USA) ludzkie serce zastąpiono wykonanym z plastiku i aluminium urządzeniem Jarvik-7. Napędzane sprężonym powietrzem (mechanizm napędowy i układ zasilający o masie ponad 100 kg znajdowały się przy łóżku chorego) zastępowało komory serca. Wykonał je Robert Koffler Jarvik (ur. 1946), amerykański lekarz, wynalazca i konstruktor urządzeń biomedycznych, który unowocześnił wcześniejszą konstrukcję opracowaną w 1971r. przez dr. Clifforda Stanley’a Kwan-Getta (ur. 1934 r.) – urodzonego w Australii chińskiego inżyniera i lekarza, który na University of Utah Medical Center skonstruował całkowicie zasilany pneumatycznie system sztucznego serca. Naśladował „Prawo Franka Starlinga”, czyli zmieniał objętość krwi w każdym uderzeniu w zależności od ciśnienia w górnych komorach serca. System ten był pierwszym, który wykorzystywał całkowicie pasywne napełnianie komór sztucznego serca w sposób,  automatycznie równoważący przepływ krwi między lewą i prawą komorą bez stosowania skomplikowanych systemów kontrolnych. Inną innowacją tego serca było zastosowanie półkulistych, nierozciągliwych membran pompujących, które nie kruszyły czerwonych krwinek o ściany serca. Jarvik dopasował kształt urządzenia i zastąpił membranę gumową elementami poliuretanowymi, zmniejszającymi ryzyko powikłań zakrzepowych. Najpierw powstał Jarvik-3, urządzenie przeznaczone do eksperymentów na zwierzętach, a następnie Jarvik-7. Operacja udała się i sztuczne serce pompowało krew przez 16 tygodni.

„Polskie Sztuczne Serce”

Jest to Rządowy Program Wieloletni na lata 2007-12 (uchwała RM z 6.03.2007) w sprawie opracowania i wdrożenia klinicznego polskich protez serca. Koordynatorem programu została wyłoniona  w  konkursie Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii. Harmonizowała współpracę wszystkich wykonawców i partnerów programu (21 instytucji naukowo-badawczych i 4 ośrodki kardiochirurgiczne), planowała, nadzorowała i sprawozdawała ich działania, a także uczestniczyła w pracach badawczych, odpowiadając za opracowanie konstrukcji protez serca.

Główną ideą było opracowanie i wdrożenie do praktyki szpitalnej rodziny polskich protez serca. W efekcie powstała, testowana klinicznie, nowa generacja pozaustrojowej pulsacyjnej protezy serca Religa Heart EXT, przeznaczona do wspomagania pracy serca w warunkach szpitalnych i poza szpitalnych przez kilkanaście miesięcy. Opracowano też prototypy: częściowo wszczepialnej pulsacyjnej pompy wspomagania serca (Religa Heart IMPL) i wirowej odśrodkowej pompy wspomagania serca (Religa Heart - ROT) oraz częściowo wszczepialnej wirowej osiowej pompy wspomagania serca. Urządzenia te, wraz ze sterownikami ich pracy: przewoźnym (Religa Heart PDU-402) i przenośnym (Religa Heart DUO), tworzą rodzinę polskich protez serca, które Fundacja pod marką Religa Heart chce wprowadzić na globalny rynek.

Program służył również stworzeniu dodatkowej procedury leczenia, która usprawni proces terapii i wpłynie pozytywnie na jakość życia chorych, a także umożliwi rozszerzenie klinicznego stosowania polskich protez serca w leczeniu pacjentów z krytyczną niewydolnością tego narządu w możliwie największej liczbie polskich klinik. Podsumowaniem Programu była zorganizowana na Warszawskim Uniwersytecie Medycznym konferencja „Polskie Sztuczne Serce – sojusz medycyny, nauki i techniki” (13.12.2013 r.).

***

- Program „Polskie sztuczne serce” polegał na zastosowaniu, sterowanych pneumatycznie, membranowych pomp wytwarzanych w FRK w Zabrzu. Dwukomorowe wspomaganie serca w pełni zastępowało własne krążenie pacjenta i wystarczało do utrzymania chorego przy życiu, nawet bez braku własnej czynności serca, przez kilka miesięcy. Znajdujące się na zewnątrz pacjenta pompy, gdzie każda z nich zastępowała pracę jednej z dwu komór serca, były połączone z sercem rurami o średnicy 14 mm. Generowały pulsacyjny przepływ krwi wymuszany cyklicznymi ruchami membrany napędzanej pneumatycznie. Każda z nich mogła być napędzana niezależnie z wyjścia pneumatycznego zewnętrznego sterownika. Rozwiązanie to było ekwiwalentem, choć niedoskonałym, sztucznego serca.

W trakcie trwania projektu polskie sztuczne komory serca przechodziły kilka modyfikacji, których jedną z nich był projekt „Religa Heart", realizowany w Narodowym Instytucie Kardiologii. Bardziej zaawansowane projekty TAH oparte były na idei wszczepialnego urządzenia, połączonego za światem zewnętrznym jedynie linią zasilającą. Takim urządzeniem była Syncardia wszczepiona w SCCS i NIK. Kolejnym etapem wszczepialnych pomp mechanicznego wspomagania krążenia było zastosowanie sterowanych elektrycznie wirowych pomp o układzie osiowym i odśrodkowym. Przepływ krwi, o charakterystyce laminarnej, tj. ciągły, wymuszany był ruchem wirowym osiowego pędnika lub wirnika odśrodkowego zawieszonego bezstykowo w polu magnetycznym stojana. Te pompy są całkowicie wszczepialne do wnętrza klatki piersiowej pacjenta. Na zewnątrz wychodzi przez skórę jedynie 5 mm średnicy elektryczna linia zasilająco-sterująca połączona z elektronicznym sterownikiem i zasobnikiem z dwiema bateriami litowo-jonowymi, każda z nich wielkości niedużej książki. Pacjenci z tym systemem są wypisywani do domu i żyją normalnie, często wracają do uprzednio wykonywanego zawodu.

dr n. med. Krzysztof Kuśmierski

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl