przegląd

w drugiej połowie XX wieku Choroba niedokrwienna serca stała się główną przyczyną śmierci w zamożnych, uprzemysłowionych krajach. Ponadto ponad połowa zgonów w Stanach Zjednoczonych była spowodowana chorobami układu krążenia. Wielu z tych zgonów można było zapobiec poprzez agresywne postępowanie i zabiegi chirurgiczne, w tym operacje przeszczepu serca. Niedobór serca dawcy, jednak, doprowadziły do nadziei, że całkowicie wszczepialne urządzenie mechaniczne może przezwyciężyć niedobór i uniknąć problemu immunologicznego odrzucenia, ale wczesne próby wszczepienia stałych sztucznych serc były krytykowane jako przedwczesne eksperymenty na ludziach. Rzeczywiście, kontrowersje wywołane przez Eksperymentalne implantacje w 1960 roku mogły hamować rozwój trwałej wymiany serca. Słaba jakość życia zapewniana przez sztuczne serca doprowadziła do wysiłków na rzecz opracowania nowej generacji urządzeń wspomagających lewą komorę serca.

Tło

ludzkie serce jest niezwykłym organem—trochę większym niż pięść—który bije ponad 100 000 razy dziennie bez odpoczynku. U przeciętnego dorosłego, serce pompuje ponad 4,300 galonów (16,000 litrów) krwi dziennie przez prawie 100,000 Mil (161,000 km) naczyń krwionośnych. Wyobrażając sobie serce jako pompę, Michael E. DeBakey, pionier chirurgii serca, który został nazwany „Texas Tornado”, przewidział, że urządzenie mechaniczne może powielić swoją główną funkcję. Sztuczne serca pochodzą z 1957 roku, kiedy to Willem Kolff, wynalazca sztucznej nerki i Tetsuzo Akutsu wszczepiali zwierzętom eksperymentalne serce. Wzorowe serce kolffa utrzymywało psa przy życiu przez 36 godzin. Specjaliści od serca i naukowcy realizowali cztery ogólne podejścia do wymiany serca: sztuczne serca, przeszczep serca dawcy, urządzenia wspomagające, które zastępują tylko część naturalnego serca, i serca zastępcze opracowane przez techniki inżynierii tkankowej w laboratorium, lub serca uprawiane w genetycznie zmienionych zwierząt.

idealne sztuczne serce funkcjonowałoby zasadniczo bezobsługowo przez wiele lat w gorącym, wilgotnym, korozyjnym środowisku wewnętrznym ciała. Projekt udanego sztucznego serca musiałby przezwyciężyć trudności, które ujawniły się od czasu pierwszych takich urządzeń testowanych w latach 60.: uszkodzenie krwi spowodowane kontaktem ze sztucznymi materiałami, odrzucenie serca zastępczego przez układ odpornościowy organizmu, trudności w dostarczaniu odpowiedniej mocy do pompy bez połączeń przez skórę, miniaturyzacja pomp wystarczająca do stosowania u dzieci i małych dorosłych oraz regulacja przepływu krwi w odpowiedzi na stres fizjologiczny. Chociaż sztuczne serca rozwijane w latach 90. mogą rozwiązać wiele z tych problemów, urządzenia te prawdopodobnie nie staną się praktyczne lub rutynowe przez wiele lat. Rzeczywiście, historia sztucznego serca jest historią kontrowersyjnych przypadków.

Impact

badania przeprowadzone przez Institute of Medicine w 1990 roku oszacowały, że 10 000 do 20 000 Amerykanów rocznie może być kandydatami do całkowitego sztucznego serca, a kolejne 25 000 do 50 000 może potrzebować urządzenia wspomagającego lewą komorę serca. Niewydolność serca dotyka około 5 milionów Amerykanów rocznie; ponadto śmiertelność z powodu niewydolności serca wzrosła trzykrotnie między 1974 i 1994. Różne formy sztucznych pomp zapewniły tymczasowe „mosty”, utrzymując pacjentów przy życiu w oczekiwaniu na przeszczep, ale liczba ofiarowanych serc wynosi tylko około 2000 rocznie. Dla wielu pacjentów pompy wspomagające, znane również jako urządzenia wspomagające lewą komorę (LVAD), mogą być bardziej praktyczne niż wymiana całego serca. DeBakey rozpoczął pracę nad sztucznym sercem i pokrewnymi urządzeniami w 1960 roku. Wynalazł prostą pompę krwi, LVAD, która może wspomagać serce, gdy pacjent czeka na przeszczep. W 1966 roku DeBakey przeprowadził pierwszą ludzką implantację LVAD.

jedno z najbardziej dramatycznych wydarzeń w XX-wiecznej chirurgii miało miejsce w 1967 roku, kiedy Christiaan Barnard (1922- ), południowoafrykański chirurg, przeprowadził pierwszy przeszczep ludzkiego serca. (W wielu przypadkach choroby serca mogą być tak poważne, że pacjent może nie przeżyć oczekiwania na serce dawcy.) Próby wykorzystania narządów zwierzęcych, takie jak przeprowadzony przez Leonarda Baileya w 1984 transplantacja serca pawiana noworodkowi, który został zidentyfikowany jako Nimfa dziecięca, zakończyły się niepowodzeniem. Dlatego niedobór narządów dawców stanowił wielki impuls do rozwoju sztucznego serca.

4 kwietnia 1969 roku Denton A. Cooley dokonał pierwszego wszczepienia całkowicie sztucznego serca przez człowieka, kiedy użył urządzenia opracowanego przez Domingo Liottę do podtrzymania życia Haskella Karpa. Karp był 47-letnim pacjentem, który był w niewydolności serca po operacji z powodu tętniaka lewej komory. Karp żył ze sztucznym sercem w klatce piersiowej przez 65 godzin, ale zmarł wkrótce po przeszczepie serca. DeBakey twierdził, że serce, którego używał Cooley, było identyczne z tym, które było opracowywane w jego laboratorium i że Cooley używał go bez pozwolenia. Ponieważ urządzenie było stosowane z ograniczonym powodzeniem u cieląt, DeBakey uznał implantację ludzką za przedwczesną i nierozsądną. Chociaż Cooley uzyskał zgodę na operację od pacjenta, nie prosił o zgodę Komisji Rewizyjnej szpitala ani agencji federalnych. On i Liotta sądzili, że pozwolenie nie zostanie udzielone i że stracą doskonałą okazję do przeprowadzenia eksperymentu. Współpraca między Cooleyem i Debakeyem została zniszczona przez kontrowersje wokół operacji Karp.

wdowa po Karpie wniosła pozew o bezprawną śmierć przeciwko Cooleyowi. Twierdziła, że ona i jej mąż nie zostali w pełni poinformowani o ryzyku związanym z procedurą eksperymentalną. Sędzia oddalił sprawę, orzekając, że pacjent wyraził świadomą zgodę, a szpital i chirurdzy dokładnie poinformowali pacjenta o ryzyku zabiegu i niskim prawdopodobieństwie całkowitego wyzdrowienia lub przeżycia. Decyzja w tym przypadku jest uważana za przełom w rozwoju i wdrażaniu technologii medycznych.

w 1981 roku Cooley przeprowadził kolejną kontrowersyjną operację, wszczepienie totalnego sztucznego serca opracowanego przez Tetsuzo Akutsu. 36-letni pacjent był podtrzymywany przez sztuczne serce przez 55 godzin, dopóki serce dawcy nie było dostępne do przeszczepu. Robert Jarvik, lekarz i inżynier biomedyczny, zwrócił się do DeBakey ’ a o przetestowanie podobnego urządzenia, znanego jako Jarvik-7, ale DeBakey odmówił, ponieważ nie sądził, że urządzenie jest gotowe do użycia przez ludzi. Rok później William DeVries, we współpracy z Jarvikiem, wszczepił Serce Jarvik-7 w klatkę piersiową Barneya Clarka, 61-letniego dentysty z Seattle umierającego na niewydolność serca.

w przeciwieństwie do przypadku Karpa, w którym sztuczne serce zostało wszczepione jako pomost do przeszczepu, DeVries i Jarvik zamierzali użyć swojego sztucznego serca jako stałego zamiennika chorego serca. Clark, który przeżył 112 dni na sztucznym sercu, został uhonorowany przez członków zespołu implantologicznego jako „prawdziwy pionier”, który zrozumiał, że bierze udział w eksperymencie, który prawdopodobnie nie uratuje mu życia, ale który dostarczy informacji, które pomogą nauce biomedycznej i innym pacjentom.

do 1985 roku wykonano pięć podobnych implantów. Najdłużej ocalał William Schroeder, który był wspierany przez Jarvik-7 przez 620 dni. Spektakl złej jakości życia i bolesnych powikłań, jakie znosili pacjenci tacy jak Clark i Schroeder, wywołał znaczący sprzeciw opinii publicznej wobec sztucznego serca. Co więcej, wielu lekarzy, naukowców, etyków i decydentów doszło do wniosku, że stosowanie sztucznego serca było przedwczesne i że w następnym stuleciu nowe pokolenie sztucznych serc znacznie poprawiło życie pacjentów. Problemy związane z wszczepialnymi sztucznymi sercami doprowadziły ostatecznie do ogólnego konsensusu, że urządzenie wspomagające byłoby bardziej praktyczne i korzystne dla pacjentów. Pierwotnym celem LVADs było utrzymanie przy życiu osób z nieuleczalną niewydolnością serca, dopóki serce dawcy nie stanie się dostępne. W ten sposób Jarvik-7 został później użyty u setek pacjentów jako most do przeszczepu.

do początku lat 90.XX wieku wyrafinowane LVAD były rutynowo używane w szpitalach na całym świecie. Wiele wczesnych urządzeń było jednak zbyt dużych do użytku u dzieci i małych dorosłych. Naukowcy skoncentrowali się zatem na rozwoju małego, ale wciąż potężnego LVAD. DeBakey i inni musieli przeprowadzić część swoich eksperymentów i badań klinicznych w Europie, ponieważ przepisy rządowe dotyczące badań klinicznych były bardziej rygorystyczne w Stanach Zjednoczonych. Innowacyjne rozwiązania problemu stworzenia lepszej pompy powstały dzięki współpracy DeBakey ’ a z naukowcami z National Aeronautics and Space Administration (NASA). (Współpraca ta powstała w wyniku operacji, którą DeBakey przeprowadził na Davidzie Saussierze, inżynierze NASA.

urządzenie DeBakey Ventricular Assist Device (VAD), zminiaturyzowana pompa wielkości około jednej dziesiątej starszych urządzeń, powodowała mniejsze uszkodzenia komórek krwi, wymagała mniej niż osiem watów mocy i mogła być ładowana przez skórę. Wiele innych eksperymentalnych urządzeń również było poddawanych testom do 1998 roku, kiedy 90-letni DeBakey wyjechał do Niemiec, aby osobiście nadzorować pierwsze próby jego VAD na ludziach. W sumie sześciu pacjentów, pierwszy, który był w stanie krytycznym w czasie operacji, zmarł sześć tygodni później. Drugi miał urządzenie usunięte z powodu tworzenia się skrzepu krwi w mechanizmie, ale dwaj inni pacjenci byli w stanie opuścić szpital z urządzeniem nadal na miejscu.

nowa generacja LVADs daje nadzieję wielu pacjentom z powodu nieoczekiwanego zjawiska zgłaszanego przez kilka ośrodków transplantacyjnych serca. Niektórzy pacjenci stosujący LVADS w oczekiwaniu na serce dawcy rzeczywiście wyzdrowieli. Najwyraźniej, całkowita reszta lewej komory dostarczonej przez LVAD odwróciła niewydolność serca w znacznym stopniu i powiększone komórki serca wracały do normalnej wielkości. Dlatego LVADs może być również używany jako ” pomost do odzyskiwania.”

oprócz przeszczepów serca ludzkiego i serca mechanicznego, niektórzy naukowcy uważają, że tkanki i narządy zwierzęce lub kombinacje żywych komórek ze sztucznymi materiałami zostaną ostatecznie wykorzystane do pomocy lub zastąpienia chorych serc. Naukowcy starają się rozwijać tkanki mięśniowej serca, zastawki serca, i naczyń krwionośnych w laboratorium; takie podejście jest znany jako inżynierii tkankowej. Ponieważ całe serce rzadko zawodzi, pomoc wielu pacjentom z tkanki inżynierii mięśnia sercowego może być możliwe. Ponadto w dziedzinie zwanej Xeno-transplantacją naukowcy już szukają sposobów zmiany narządów zwierzęcych, aby nie zostały odrzucone przez ludzi biorców. Opozycja ze strony aktywistów zwierzęcych i groźba nierozpoznanych wcześniej wirusów sprawiła, że naczelne stały się mniej pożądane jako źródła narządów, ale transgeniczne świnie mogą ostatecznie zapewnić narządy dla ludzi. Inni naukowcy uważają jednak, że wiele społecznych i indywidualnych obciążeń związanych z chorobami serca można zapobiec poprzez ćwiczenia, zmiany w diecie i eliminację palenia.

LOIS N. MAGNER

Czytaj dalej

Książki

Ad Hoc Task Force on Cardiac Replacement. Wymiana serca: konsekwencje medyczne, etyczne, psychologiczne i ekonomiczne. Washington, DC: U. S. Government Printing Office, 1969.

Conrad, Peter, and Rochelle Kern, eds. Socjologia zdrowia & choroba: perspektywy krytyczne. IV edycja New York: St. Martin ’ s Press, 1994.

Hogness, John R., ed. Sztuczne serce: prototypy, zasady i pacjenci.

Kolff, Willem. Sztuczne Narządy. Nowy Jork: Wiley, 1976.

Lubeck, D. i J. P. Bunkier. Sztuczne serce: koszty, ryzyko i korzyści. Washington, DC: Office of Technology Assessment, 1982.

Reiser, Stanley Joel, and Michael Anbar, eds. Maszyna przy łóżku: strategie wykorzystania technologii w opiece nad pacjentem. New York: Cambridge University Press, 1984.

Shaw, Margery W., red. Po Barney Clark: Reflections on the Utah Artificial Heart Program. Austin, TX: University of Texas Press, 1984.

czasopisma

Jarvik, Robert. „Totalne Sztuczne Serce.”Scientific American 244( 1981): 74-80.

Stover, Dawn. „Sztuczne Serce.”Popular Science 254 (February 1999): 11-17.