Panoramica

Durante la seconda metà del ventesimo secolo la malattia coronarica divenne la principale causa di morte nelle nazioni ricche e industrializzate. Inoltre, più della metà dei decessi negli Stati Uniti sono stati causati da malattie cardiovascolari. Molte di queste morti avrebbero potuto essere prevenute da una gestione aggressiva e procedure chirurgiche, comprese le operazioni di trapianto di cuore. La carenza di cuori donatori, tuttavia, ha portato a sperare che un dispositivo meccanico totalmente impiantabile potesse superare la carenza ed evitare il problema del rigetto immunologico, ma i primi tentativi di impiantare cuori artificiali permanenti sono stati criticati come esperimenti umani prematuri. In effetti, le controversie sollevate dagli impianti sperimentali negli 1960 potrebbero aver inibito lo sviluppo di una sostituzione cardiaca permanente. La scarsa qualità della vita fornita dai cuori artificiali ha invece portato agli sforzi per sviluppare una nuova generazione di dispositivi di assistenza ventricolare sinistra.

Background

Il cuore umano è un organo notevole—poco più grande di un pugno—che batte oltre 100.000 volte al giorno senza riposo. In un adulto medio, il cuore pompa più di 4.300 galloni (16.000 litri) di sangue al giorno attraverso quasi 100.000 miglia (161.000 km) di vasi sanguigni. Immaginando il cuore come solo una pompa, Michael E. DeBakey, un pioniere della chirurgia cardiaca, che è stato chiamato il “Tornado del Texas”, ha predetto che un dispositivo meccanico potrebbe duplicare la sua funzione principale. I cuori artificiali in realtà risalgono al 1957, quando Willem Kolff, inventore del rene artificiale, e Tetsuzo Akutsu impiantarono un cuore sperimentale negli animali. Il cuore modello di Kolff ha tenuto in vita un cane per 36 ore. Specialisti e scienziati del cuore hanno perseguito quattro approcci generali alla sostituzione del cuore: cuori artificiali, trapianto di cuori donatori, dispositivi di assistenza che sostituiscono solo una parte del cuore naturale e cuori sostitutivi sviluppati con tecniche di ingegneria tissutale in laboratorio o cuori coltivati in animali geneticamente modificati.

Il cuore artificiale ideale funzionerebbe essenzialmente senza manutenzione per molti anni all’interno dell’ambiente interno caldo, umido e corrosivo del corpo. Il design di un cuore artificiale di successo avrebbe dovuto superare le difficoltà che sono state rivelate da quando i primi dispositivi di questo tipo sono stati testati negli anni 60: danni al sangue causati dal contatto con materiali artificiali, rigetto del cuore sostitutivo da parte del sistema immunitario del corpo, difficoltà nel fornire adeguatopotenza alla pompa senza connessioni attraverso la pelle, miniaturizzando le pompe abbastanza per l’uso nei bambini e nei piccoli adulti e regolando il flusso sanguigno in risposta allo stress fisiologico. Anche se i cuori artificiali in fase di sviluppo nel corso del 1990 possono risolvere molti di questi problemi, questi dispositivi probabilmente non diventerà pratico o di routine per molti anni. In effetti, la storia del cuore artificiale è una storia di casi controversi.

Impatto

Gli studi condotti dall’Istituto di Medicina negli 1990 hanno stimato che 10.000 a 20.000 americani all’anno potrebbero essere candidati per un cuore artificiale totale e altri 25.000 a 50.000 potrebbero aver bisogno di un dispositivo di assistenza ventricolare sinistro. L’insufficienza cardiaca colpisce circa 5 milioni di americani all’anno; inoltre, la mortalità per insufficienza cardiaca è triplicata tra il 1974 e il 1994. Varie forme di pompe artificiali hanno fornito “ponti” temporanei, mantenendo i pazienti in vita in attesa di un trapianto, ma il numero di cuori donati è solo di circa 2.000 all’anno. Per molti pazienti, le pompe di assistenza, note anche come dispositivi di assistenza ventricolare sinistra (LVAD), possono essere più pratiche rispetto alla sostituzione dell’intero cuore. DeBakey ha iniziato a lavorare su un cuore artificiale e relativi dispositivi nel 1960. Ha inventato una semplice pompa del sangue, il LVAD, che potrebbe aiutare il cuore mentre un paziente aspettava un trapianto. Nel 1966 DeBakey eseguì il primo impianto umano di un LVAD.

Uno degli eventi più drammatici della chirurgia del ventesimo secolo si è verificato nel 1967, quando Christiaan Barnard (1922 -), un chirurgo sudafricano, ha eseguito il primo trapianto di cuore umano. (In molti casi, le malattie cardiache possono essere così gravi che un paziente potrebbe non sopravvivere all’attesa di un cuore donatore.) I tentativi di utilizzare organi animali, come il trapianto di Leonard Bailey del 1984 del cuore di un babbuino in un neonato, che è stato identificato come Baby Fae, si sono conclusi con un fallimento. Pertanto, la carenza di organi donatori ha fornito un grande impulso allo sviluppo di un cuore artificiale.

Il 4 aprile 1969, Denton A. Cooley eseguì il primo impianto umano di un cuore artificiale totale quando utilizzò un dispositivo sviluppato da Domingo Liotta per sostenere la vita di Haskell Karp. Karp era un paziente di 47 anni che era in insufficienza cardiaca dopo un intervento chirurgico per un aneurisma ventricolare sinistro. Karp ha vissuto con il cuore artificiale nel petto per 65 ore, ma è morto poco dopo aver ricevuto un trapianto di cuore. DeBakey ha affermato che il cuore utilizzato da Cooley era identico a quello in fase di sviluppo nel suo laboratorio e che Cooley lo aveva usato senza permesso. Poiché il dispositivo era stato utilizzato con successo solo limitato nei vitelli, DeBakey considerava l’impianto umano prematuro e imprudente. Sebbene Cooley avesse ottenuto il consenso per l’operazione dal paziente, non aveva chiesto il permesso all’hospital Review board o alle agenzie federali. Lui e Liotta pensavano che il permesso non sarebbe stato concesso e che avrebbero perso un’occasione perfetta per eseguire l’esperimento. Il rapporto di lavoro tra Cooley e DeBakey è stato distrutto dalle polemiche circondate dall’operazione Karp.

Poi la vedova di Karp ha intentato una causa per omicidio colposo contro Cooley. Ha affermato che lei e suo marito non erano stati pienamente informati dei rischi della procedura sperimentale. Il giudice ha respinto il caso, stabilendo che il paziente aveva dato il consenso informato e che l’ospedale e i chirurghi avevano accuratamente informato il paziente dei rischi della procedura e della bassa probabilità di completo recupero o sopravvivenza. La decisione in questo caso è considerata un punto di riferimento nello sviluppo e nell’implementazione della tecnologia medica.

Nel 1981 Cooley eseguì un’altra controversa operazione, l’impianto di un cuore artificiale totale sviluppato da Tetsuzo Akutsu. Il paziente di 36 anni è stato sostenuto sul cuore artificiale per 55 ore fino a quando un cuore donatore era disponibile per il trapianto. Robert Jarvik, medico e ingegnere biomedico, si avvicinò a DeBakey per testare un dispositivo simile, noto come Jarvik-7, ma DeBakey rifiutò perché non pensava che il dispositivo fosse pronto per l’uso umano. Un anno dopo, William DeVries, in collaborazione con Jarvik, impiantò il cuore Jarvik-7 nel petto di Barney Clark, un dentista di Seattle di 61 anni che moriva di insufficienza cardiaca.

In contrasto con il caso Karp, in cui il cuore artificiale è stato impiantato come ponte per il trapianto, DeVries e Jarvik intendevano usare il loro cuore artificiale come sostituto permanente del cuore malato. Clark, che è sopravvissuto per 112 giorni sul cuore artificiale, è stato onorato dai membri del team di implant come un “vero pioniere” che ha capito che stava partecipando a un esperimento che era improbabile per salvargli la vita ma che avrebbe fornito informazioni per aiutare la scienza biomedica e altri pazienti.

Cinque impianti simili sono stati eseguiti fino al 1985. Il sopravvissuto più lungo fu William Schroeder, che fu supportato dal Jarvik-7 per 620 giorni. Lo spettacolo della scarsa qualità della vita e delle complicazioni dolorose sopportate da pazienti come Clark e Schroeder ha creato un significativo contraccolpo pubblico contro il cuore artificiale. Inoltre, molti medici, scienziati, etici e responsabili politici hanno concluso che l’uso del cuore artificiale era prematuro e che sarebbe stato bene nel prossimo secolo prima che una nuova generazione di cuori artificiali migliorasse significativamente la vita dei pazienti. I problemi associati ai cuori artificiali impiantabili alla fine hanno portato a un consenso generale sul fatto che un dispositivo di assistenza sarebbe stato più pratico e vantaggioso per i pazienti. Lo scopo originale di LVADs era quello di mantenere in vita le persone con insufficienza cardiaca terminale fino a quando un cuore donatore è diventato disponibile. In questo modo, il Jarvik – 7 è stato successivamente utilizzato in centinaia di pazienti come ponte per il trapianto.

All’inizio degli anni 1990, i LVAD sofisticati venivano usati abitualmente negli ospedali di tutto il mondo. Molti dei primi dispositivi, tuttavia, erano troppo grandi per l’uso nei bambini e nei piccoli adulti. I ricercatori si sono quindi concentrati sullo sviluppo di un LVAD piccolo, ma ancora potente. DeBakey e altri hanno dovuto effettuare alcuni dei loro esperimenti e studi clinici in Europa perché le regole governative riguardanti gli studi clinici erano più severe negli Stati Uniti. Soluzioni innovative al problema della creazione di una pompa migliore sono nate da una collaborazione tra DeBakey e gli scienziati della National Aeronautics and Space Administration (NASA). (Questa collaborazione è nata a seguito di un’operazione che DeBakey aveva eseguito su David Saussier, un ingegnere della NASA.

Il DeBakey Ventricular Assist Device (VAD), una pompa miniaturizzata di circa un decimo delle dimensioni dei vecchi dispositivi, causava meno danni alle cellule del sangue, richiedeva meno di otto watt di potenza e poteva essere ricaricata attraverso la pelle. Molti altri dispositivi sperimentali sono stati sottoposti a test entro il 1998, quando il 90-year-old DeBakey è andato in Germania per supervisionare personalmente le prime prove umane del suo VAD. Sei pazienti in tutto, il primo, che era in condizioni critiche al momento dell’operazione, morì sei settimane dopo. Il secondo ha rimosso il suo dispositivo a causa della formazione di un coagulo di sangue nel meccanismo, ma altri due pazienti sono stati in grado di lasciare l’ospedale con il dispositivo ancora in posizione.

La nuova generazione di LVAD offre speranza a molti pazienti a causa di un fenomeno inaspettato segnalato da diversi centri di trapianto di cuore. Alcuni dei pazienti che utilizzavano LVAD in attesa di un cuore donatore si stavano effettivamente riprendendo. Apparentemente, il riposo completo al ventricolo sinistro fornito dal LVAD ha invertito l’insufficienza cardiaca in misura significativa e le cellule cardiache ingrossate stavano tornando alle dimensioni normali. Pertanto, LVADs potrebbe anche essere utilizzato come un ” ponte per il recupero.”

Oltre ai trapianti di cuore umani e ai cuori meccanici, alcuni scienziati pensano che tessuti e organi animali o combinazioni di cellule viventi con materiali artificiali saranno eventualmente utilizzati per aiutare o sostituire i cuori malati. Gli scienziati stanno ora cercando di far crescere il tessuto muscolare cardiaco, valvole cardiache, e vasi sanguigni in laboratorio; questo approccio è noto come ingegneria dei tessuti. Poiché un intero cuore raramente fallisce, può essere possibile aiutare molti pazienti con muscolo cardiaco ingegnerizzato dai tessuti. Inoltre, nel campo chiamato xeno-trapianto, gli scienziati stanno già cercando modi per cambiare gli organi animali in modo che non vengano rifiutati dai destinatari umani. L’opposizione degli animalisti e la minaccia di virus precedentemente non riconosciuti ha reso i primati meno desiderabili come fonti di organi, ma i maiali transgenici possono alla fine fornire organi per l’uomo. Altri scienziati, tuttavia, ritengono che gran parte del carico sociale e individuale delle malattie cardiache potrebbe essere prevenuta attraverso l’esercizio fisico, i cambiamenti nella dieta e l’eliminazione del fumo.

LOIS N. MAGNER

Ulteriori letture

Libri

Task force ad Hoc sulla sostituzione cardiaca. Sostituzione cardiaca: implicazioni mediche, etiche, psicologiche ed economiche. Washington, DC: Ufficio stampa del governo degli Stati Uniti, 1969.

Conrad, Peter, e Rochelle Kern, a cura di. La sociologia della salute& Malattia: prospettive critiche. 4a ed. New York: St. Martin’s Press, 1994.

Hogness, John R., ed. Cuore artificiale: prototipi, politiche e pazienti. Washington, DC: National Academy Press, 1991.

Kolff, Willem. Organi artificiali. New York: Wiley, 1976.

Lubeck, D., e J. P. Bunker. Il cuore artificiale: costi, rischi e benefici. Washington, DC: Office of Technology Assessment, 1982.

Reiser, Stanley Joel, e Michael Anbar, eds. La macchina al capezzale: strategie per l’utilizzo della tecnologia nella cura del paziente. New York: Cambridge University Press, 1984.

Shaw, Margery W., ed. Dopo Barney Clark: Riflessioni sul programma di cuore artificiale Utah. Austin, TX: University of Texas Press, 1984.

Periodici

Jarvik, Robert. “Il cuore artificiale totale.”Scientific American 244 (1981): 74-80.

Stover, Dawn. “Cuore artificiale.”Popular Science 254 (febbraio 1999): 11-17.