Überblick

In der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts wurde die koronare Herzkrankheit zur Haupttodesursache in wohlhabenden Industrienationen. Darüber hinaus wurden mehr als die Hälfte der Todesfälle in den Vereinigten Staaten durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursacht. Viele dieser Todesfälle hätten durch aggressives Management und chirurgische Eingriffe, einschließlich Herztransplantationen, verhindert werden können. Der Mangel an Spenderherzen ließ jedoch hoffen, dass ein vollständig implantierbares mechanisches Gerät den Mangel überwinden und das Problem der immunologischen Abstoßung vermeiden könnte. In der Tat könnten die Kontroversen, die durch experimentelle Implantationen in den 1960er Jahren ausgelöst wurden, die Entwicklung eines dauerhaften Herzersatzes gehemmt haben. Die schlechte Lebensqualität durch künstliche Herzen führte stattdessen zu Bemühungen, eine neue Generation von linksventrikulären Hilfsgeräten zu entwickeln.

Hintergrund

Das menschliche Herz ist ein bemerkenswertes Organ — kaum größer als eine Faust — das über 100.000 Mal am Tag ohne Pause schlägt. Bei einem durchschnittlichen Erwachsenen pumpt das Herz mehr als 4.300 Gallonen (16.000 Liter) Blut pro Tag durch fast 100.000 Meilen (161.000 km) Blutgefäße. Michael E. DeBakey, ein Pionier der Herzoperation, der als „Texas Tornado“ bezeichnet wurde, stellte sich das Herz nur als Pumpe vor und sagte voraus, dass ein mechanisches Gerät seine Hauptfunktion duplizieren könnte. Künstliche Herzen stammen tatsächlich aus dem Jahr 1957, als Willem Kolff, Erfinder der künstlichen Niere, und Tetsuzo Akutsu Tieren ein experimentelles Herz implantierten. Kolffs Modellherz hielt einen Hund 36 Stunden lang am Leben. Herzspezialisten und Wissenschaftler haben vier allgemeine Ansätze für den Herzersatz verfolgt: künstliche Herzen, Transplantation von Spenderherzen, Assistenzgeräte, die nur einen Teil des natürlichen Herzens ersetzen, und Ersatzherzen, die durch Tissue-Engineering-Techniken im Labor entwickelt wurden, oder Herzen, die in genetisch veränderten Tieren gezüchtet wurden.

Das ideale künstliche Herz würde im Wesentlichen wartungsfrei für viele Jahre in der heißen, feuchten, korrosiven inneren Umgebung des Körpers funktionieren. Das Design eines erfolgreichen künstlichen Herzens müsste die Schwierigkeiten überwinden, die sich seit dem Test der ersten derartigen Geräte in den 1960er Jahren ergeben haben: schädigung des Blutes durch Kontakt mit künstlichen Materialien, Abstoßung des Ersatzherzens durch das körpereigene Immunsystem, Schwierigkeiten bei der Abgabe einer ausreichenden Leistung an die Pumpe ohne Verbindungen durch die Haut, Miniaturisierung der Pumpen für den Einsatz bei Kindern und kleinen Erwachsenen und Anpassung des Blutflusses als Reaktion auf physiologischen Stress. Obwohl die künstlichen Herzen in der Entwicklung in den 1990er Jahren viele dieser Probleme lösen können, werden diese Geräte wahrscheinlich nicht für viele Jahre praktisch oder Routine werden. In der Tat ist die Geschichte des künstlichen Herzens eine Geschichte kontroverser Fälle.

Auswirkungen

Studien, die in den 1990er Jahren vom Institute of Medicine durchgeführt wurden, schätzten, dass 10.000 bis 20.000 Amerikaner pro Jahr Kandidaten für ein künstliches Herz sein könnten und weitere 25.000 bis 50.000 ein linksventrikuläres Hilfsgerät benötigen könnten. Herzinsuffizienz betrifft etwa 5 Millionen Amerikaner pro Jahr; Darüber hinaus hat sich die Mortalität durch Herzinsuffizienz zwischen 1974 und 1994 verdreifacht. Verschiedene Formen künstlicher Pumpen haben temporäre „Brücken“ geschaffen, die Patienten am Leben erhalten, während sie auf eine Transplantation warten, aber die Anzahl der gespendeten Herzen beträgt nur etwa 2.000 pro Jahr. Für viele Patienten können Assistenzpumpen, auch bekannt als linksventrikuläre Assistenzgeräte (LVAD), praktischer sein als das Ersetzen des gesamten Herzens. DeBakey begann 1960 mit der Arbeit an einem künstlichen Herzen und verwandten Geräten. Er erfand eine einfache Blutpumpe, die LVAD, die das Herz unterstützen könnte, während ein Patient auf eine Transplantation wartete. 1966 führte DeBakey die erste menschliche Implantation eines LVAD durch.Jahrhunderts ereignete sich 1967, als der südafrikanische Chirurg Christiaan Barnard (1922- ) die erste menschliche Herztransplantation durchführte. (In vielen Fällen kann eine Herzerkrankung so schwerwiegend sein, dass ein Patient das Warten auf ein Spenderherz möglicherweise nicht überlebt. Versuche, tierische Organe zu verwenden, wie Leonard Baileys 1984 Transplantation eines Pavianherzens in ein Neugeborenes, das als Baby Fae identifiziert wurde, scheiterten. Der Mangel an Spenderorganen gab daher der Entwicklung eines künstlichen Herzens große Impulse.Am 4. April 1969 führte Denton A. Cooley die erste menschliche Implantation eines künstlichen Herzens durch, als er ein von Domingo Liotta entwickeltes Gerät verwendete, um das Leben von Haskell Karp zu erhalten. Karp war ein 47-jähriger Patient, der nach einer Operation wegen eines linksventrikulären Aneurysmas an Herzversagen litt. Karp lebte 65 Stunden lang mit dem künstlichen Herzen in der Brust, starb aber kurz nach einer Herztransplantation. DeBakey behauptete, dass das von Cooley verwendete Herz mit dem in seinem Labor entwickelten identisch sei und dass Cooley es ohne Erlaubnis verwendet habe. Da das Gerät bei Kälbern nur mit begrenztem Erfolg eingesetzt worden war, hielt DeBakey die Implantation beim Menschen für verfrüht und unklug. Obwohl Cooley die Zustimmung für die Operation vom Patienten erhalten hatte, hatte er keine Erlaubnis vom Hospital Review Board oder von Bundesbehörden eingeholt. Er und Liotta dachten, dass die Erlaubnis nicht erteilt worden wäre und dass sie eine perfekte Gelegenheit zur Durchführung des Experiments verloren hätten. Die Arbeitsbeziehung zwischen Cooley und DeBakey wurde durch die Kontroverse um die Karp-Operation zerstört.

Dann brachte Karps Witwe eine unrechtmäßige Todesklage gegen Cooley ein. Sie behauptete, sie und ihr Mann seien nicht vollständig über die Risiken des experimentellen Verfahrens informiert worden. Der Richter wies den Fall ab und entschied, dass der Patient seine Einverständniserklärung abgegeben hatte und dass das Krankenhaus und die Chirurgen den Patienten gründlich über die Risiken des Verfahrens und die geringe Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Genesung oder eines Überlebens informiert hatten. Die Entscheidung in diesem Fall gilt als Meilenstein in der Entwicklung und Umsetzung der Medizintechnik.1981 führte Cooley eine weitere umstrittene Operation durch, die Implantation eines künstlichen Herzens, das von Tetsuzo Akutsu entwickelt wurde. Der 36-jährige Patient wurde 55 Stunden lang am künstlichen Herzen gehalten, bis ein Spenderherz für die Transplantation zur Verfügung stand. Robert Jarvik, ein Arzt und biomedizinischer Ingenieur, wandte sich an DeBakey, um ein ähnliches Gerät zu testen, bekannt als Jarvik-7, aber DeBakey lehnte ab, weil er nicht glaubte, dass das Gerät für den menschlichen Gebrauch bereit war. Ein Jahr später implantierte William DeVries in Zusammenarbeit mit Jarvik das Jarvik-7-Herz in die Brust von Barney Clark, einem 61-jährigen Zahnarzt aus Seattle, der an Herzversagen starb.Im Gegensatz zum Fall Karp, bei dem das Kunstherz als Brücke zur Transplantation implantiert wurde, beabsichtigten DeVries und Jarvik, ihr Kunstherz als dauerhaften Ersatz für das erkrankte Herz zu verwenden. Clark, der 112 Tage auf dem künstlichen Herzen überlebte, wurde von Mitgliedern des Implantatteams als „wahrer Pionier“ geehrt, der verstand, dass er an einem Experiment teilnahm, das sein Leben wahrscheinlich nicht retten würde, aber Informationen liefern würde, um der biomedizinischen Wissenschaft und anderen Patienten zu helfen.

Fünf ähnliche Implantate wurden bis 1985 durchgeführt. Der längste Überlebende war William Schroeder, der 620 Tage lang von der Jarvik-7 unterstützt wurde. Das Spektakel der schlechten Lebensqualität und der schmerzhaften Komplikationen von Patienten wie Clark und Schroeder führte zu einer erheblichen öffentlichen Gegenreaktion gegen das künstliche Herz. Darüber hinaus kamen viele Ärzte, Wissenschaftler, Ethiker und politische Entscheidungsträger zu dem Schluss, dass die Verwendung des künstlichen Herzens verfrüht sei und dass es bis weit in das nächste Jahrhundert hinein dauern würde, bis eine neue Generation künstlicher Herzen das Leben der Patienten erheblich verbessern würde. Die mit implantierbaren Kunstherzen verbundenen Probleme führten schließlich zu einem allgemeinen Konsens darüber, dass ein Assistenzgerät für Patienten praktischer und vorteilhafter wäre. Der ursprüngliche Zweck von LVADs war es, Menschen mit terminaler Herzinsuffizienz am Leben zu erhalten, bis ein Spenderherz verfügbar wurde. Auf diese Weise wurde der Jarvik-7 später bei Hunderten von Patienten als Brücke zur Transplantation eingesetzt.

In den frühen 1990er Jahren wurden hochentwickelte LVADs routinemäßig in Krankenhäusern auf der ganzen Welt eingesetzt. Viele der frühen Geräte waren jedoch zu groß für den Einsatz bei Kindern und kleinen Erwachsenen. Die Forscher konzentrierten sich daher auf die Entwicklung eines kleinen, aber immer noch leistungsstarken LVAD. DeBakey und andere mussten einige ihrer Experimente und klinischen Studien in Europa durchführen, da die staatlichen Vorschriften für klinische Studien in den USA strenger waren. Innovative Lösungen für das Problem der Schaffung einer besseren Pumpe sind aus einer Zusammenarbeit zwischen DeBakey und Wissenschaftlern der National Aeronautics and Space Administration (NASA) hervorgegangen. (Diese Zusammenarbeit entstand nach einer Operation, die DeBakey an David Saussier, einem NASA-Ingenieur, durchgeführt hatte.Die DeBakey Ventricular Assist Device (VAD), eine miniaturisierte Pumpe etwa ein Zehntel der Größe der älteren Geräte, verursacht weniger Schäden an den Blutzellen, benötigt weniger als acht Watt Leistung, und konnte durch die Haut wieder aufgeladen werden. Viele andere experimentelle Geräte wurden 1998 ebenfalls getestet, als der 90-jährige DeBakey nach Deutschland ging, um die ersten Versuche seines VAD am Menschen persönlich zu überwachen. Insgesamt sechs Patienten, der erste, der sich zum Zeitpunkt der Operation in einem kritischen Zustand befand, starben sechs Wochen später. Der zweite hatte sein Gerät wegen der Bildung eines Blutgerinnsels im Mechanismus entfernt, aber zwei andere Patienten konnten das Krankenhaus mit dem noch vorhandenen Gerät verlassen.Die neue Generation von LVADs bietet vielen Patienten Hoffnung aufgrund eines unerwarteten Phänomens, das von mehreren Herztransplantationszentren gemeldet wurde. Einige der Patienten, die LVADS verwendeten, während sie auf ein Spenderherz warteten, erholten sich tatsächlich. Offensichtlich kehrte die vollständige Ruhe des linken Ventrikels, die durch die LVAD bereitgestellt wurde, die Herzinsuffizienz in signifikantem Maße um und vergrößerte Herzzellen kehrten zu normaler Größe zurück. Daher könnten LVADs auch als „Brücke zur Wiederherstellung“ verwendet werden.“Zusätzlich zu menschlichen Herztransplantationen und mechanischen Herzen glauben einige Wissenschaftler, dass tierische Gewebe und Organe oder Kombinationen lebender Zellen mit künstlichen Materialien schließlich verwendet werden, um kranke Herzen zu unterstützen oder zu ersetzen. Wissenschaftler versuchen nun, Herzmuskelgewebe, Herzklappen und Blutgefäße im Labor zu züchten; Dieser Ansatz wird als Tissue Engineering bezeichnet. Da ein ganzes Herz selten versagt, kann es möglich sein, vielen Patienten mit gewebetechnisch hergestelltem Herzmuskel zu helfen. Darüber hinaus suchen Wissenschaftler auf dem Gebiet der Xenotransplantation bereits nach Möglichkeiten, tierische Organe so zu verändern, dass sie von menschlichen Empfängern nicht abgestoßen werden. Der Widerstand von Tierschützern und die Bedrohung durch bisher nicht erkannte Viren haben Primaten als Organquellen weniger wünschenswert gemacht, aber transgene Schweine können schließlich Organe für den Menschen liefern. Andere Wissenschaftler glauben jedoch, dass ein Großteil der sozialen und individuellen Belastung durch Herzerkrankungen durch Bewegung, Ernährungsumstellungen und die Beseitigung des Rauchens verhindert werden könnte.

N. MAGNER

Weiterführende Literatur

Bücher

Ad Hoc Task Force on Cardiac Replacement. Herzersatz: Medizinische, ethische, psychologische und wirtschaftliche Auswirkungen. Washington, D.C.: U.S. Government Printing Office, 1969.

Conrad, Peter, und Rochelle Kern, Hrsg. Die Soziologie der Gesundheit & Krankheit: Kritische Perspektiven. 4. Aufl. New York: St. Martin’s Press, 1994.

Hogness, John R., Hrsg. Künstliches Herz: Prototypen, Richtlinien und Patienten. Washington, D.C.: National Academy Press, 1991.Kolff, Willem. Künstliche Organe. New York: Wiley, 1976.

Lübeck, D. und J.P. Bunker. Das künstliche Herz: Kosten, Risiken und Nutzen. Washington, D.C.: Amt für Technikfolgenabschätzung, 1982.

Reiser, Stanley Joel und Michael Anbar, Hrsg. Die Maschine am Krankenbett: Strategien für den Einsatz von Technologie in der Patientenversorgung. New York: Cambridge University Press, 1984.

Shaw, Margery W., Hrsg. Nach Barney Clark: Reflexionen über das Utah Artificial Heart Program. Austin, TX: Universität von Texas Press, 1984.

Zeitschriften

Jarvik, Robert. „Das gesamte künstliche Herz.“ Scientific American 244 (1981): 74-80.

Stover, Morgendämmerung. „Künstliches Herz.“ Popular Science 254 (Februar 1999): 11-17.