Болезнь сердца убивает больше людей, чем что-либо еще в Соединенных Штатах. По данным CDC, в 2019 году от сердечных заболеваний погибло почти 660 000 человек. Но как насчет пересадки сердца, спросите вы? Ну, доноров органов катастрофически не хватает, и 17 человек умирают каждый божий день в ожидании трансплантации органов. И, конечно же, у многих нет страховки, покрывающей процедуру, и не все с сердечными заболеваниями являются хорошими кандидатами на трансплантацию.
Итак, это довольно медленный процесс. И вообще, чем дольше пациент ждет пересадку, тем ниже ожидаемая продолжительность жизни после операции. Итак, почему мы не можем просто сделать новое сердце? Оказывается, мы можем… благодаря технологии искусственного сердца.
Искусственные сердца не новы в медицине, они используются пациентами уже несколько десятилетий. Они обычно используются в качестве краткосрочного и среднесрочного решения для очень больных пациентов, ожидающих трансплантации сердца, или тех, кто не подходит для трансплантации. И хотя технология еще не достигла научно-фантастического уровня, мы каждый день приближаемся к самоподдерживающемуся, полностью искусственному сердцу.
Что такое искусственное сердце?
Искусственное сердце - это электронное устройство, способное поддерживать циркуляцию крови в организме. Вообще говоря, существует два основных типа искусственных сердец - механическое сердце и аппарат искусственного кровообращения.
Как вы, наверное, догадались - механическое сердце функционирует как обычное сердце - оно просто качает кровь. С другой стороны, аппарат искусственного кровообращения также насыщает кровь кислородом в дополнение к ее перекачиванию для циркуляции. Этот тип аппарата обычно используется, когда пациенту делают операцию на сердце.
В нехирургических ситуациях, однако, пациентам назначают искусственное сердце на основе механического сердца. Интересно, что существуют также две основные группы механических сердец - вспомогательные желудочковые устройства (VAD) и тотальное искусственное сердце (TAH).
А теперь вот в чем дело: левый и правый желудочки - это наиболее тяжело работающие части теплового тела. Правый желудочек перекачивает бедную кислородом кровь в легкие. Левое предсердие получает богатую кислородом кровь из легких и перекачивает ее в левый желудочек. Затем левый желудочек перекачивает богатую кислородом кровь через аортальный клапан к остальным частям тела.
Поскольку именно левый желудочек отвечает за перекачку крови к телу, он является самой сильной из камер. Таким образом, в случае сердечной недостаточности левый желудочек часто является наиболее вероятной частью сердца, нуждающейся в дополнительной помощи. В этом случае врачи, как правило, вводят вспомогательное устройство для левого желудочка (LVAD), если другие попытки справиться с этим состоянием не увенчались успехом.
С другой стороны, бывают случаи, когда один только LVAD не поможет, поэтому пациенту потребуется тотальное искусственное сердце (ИСА). В настоящее время TAH являются последним средством, которое используется только у пациентов, которым не помогают LVAD или которые ожидают трансплантации сердца.
История искусственных сердец
Итак, кто изобрел искусственное сердце? Ну, это не так просто, потому что никто не может присвоить себе все заслуги. При этом идея механической поддержки кровообращения впервые была высказана Жюльеном ЛеГаллуа еще в 1812 году. Но это оставалось теорией до 1937 года, когда Владимир Петрович Демихов разработал первое тотальное искусственное сердце и провел первую в мире операцию аортокоронарного шунтирования.
Самая ранняя версия LVAD была разработана в 1960-х годах, и это были большие машины, к которым подключались пациенты. В 1982 году доктор Роберт Джарвик создал первое в мире постоянное искусственное сердце, которое было успешно пересажено пациенту Барни Кларку, который прожил 112 дней.
Хотя эти ранние искусственные сердца были не совсем удобны в использовании, многие ученые и инженеры по всему миру посвятили свою жизнь созданию более эффективных конструкций, достаточно маленьких, чтобы поместиться в грудь человека, и достаточно прочных, чтобы «бить» 35 миллионов раз в год. И хотя мы еще не совсем там, но и не так далеко.
Последние достижения в технологии искусственного сердца
В наши дни искусственные сердца обычно представляют собой небольшие устройства, которые имплантируются в пациента и подключаются к портативному внешнему контроллеру через трубки, выходящие из кожи. При этом технологии и механизмы работы искусственных сердец могут сильно различаться. Например, в 2017 году группа китайских исследователей создала искусственное сердце на основе ракетных технологий. Сердце использует магнитную и жидкостную левитацию, чтобы свести к минимуму трение. Это позволяет повысить эффективность его работы и продлить срок службы генератора.
Позже в том же году группа инженеров Swiz разработала мягкое тотальное искусственное сердце, которое действительно бьется. Самое интересное, что они использовали технологию 3D-печати, используя силикон в качестве основного материала. В конце концов, сердце весило всего 13,8 унции и могло перекачивать жидкость почти в том же ритме, что и человеческое сердце. Тем не менее, прототип работает всего около 30 минут, поэтому потребуется некоторое время, прежде чем он станет массовым.
В 2018 году исследователи из Университета здоровья и науки штата Орегон объявили о разработке искусственного сердца, состоящего из одного движущегося элемента без клапанов. Они считают, что это может быть первый TAH, который может длиться всю оставшуюся жизнь человека. Искусственное сердце OHSU заменяет оба желудочка титановой трубкой с полым стержнем, который движется вперед и назад, проталкивая кровь в легкие, а затем через остальную часть тела.
Совсем недавно Carmat анонсировала свое новейшее искусственное сердце, которое может контролировать кровоток в режиме реального времени. Как это работает? Что ж, он оснащен датчиками, которые помогают определять артериальное давление пользователя в зависимости от уровня его активности, и в ответ алгоритм устройства регулирует кровоток. Все устройство весит около 2 фунтов и содержит батареи, которые могут работать около 4 часов.
В настоящее время средняя продолжительность жизни пациента на искусственном сердце составляет один год. Но сообщается, что пациенты живут на этих устройствах до 4 лет. Несмотря на все эти захватывающие достижения, есть еще несколько серьезных препятствий, которые необходимо масштабировать, прежде чем мы найдем постоянное решение для отказавшего сердца.
Текущие ограничения технологии искусственного сердца
В недавней статье Чанчалеишвили и Филипс поделились некоторыми соображениями об ограничениях, с которыми в настоящее время сталкивается технология искусственного сердца. И один из них - получение имплантируемого источника энергии, достаточно мощного, чтобы поддерживать устройство в течение всей жизни… и это огромная мощность! Из-за текущих ограничений в технологии аккумуляторов авторы утверждают, что единственный способ генерировать такую большую мощность - использовать плутоний-238. Но, возможно, из-за опасений терроризма и опасений случайного воздействия искусственные сердца в ближайшее время не станут ядерными. Таким образом, возможность полностью имплантируемого искусственного сердца может появиться не раньше, чем через несколько лет.
Биосовместимость - еще одна очень важная проблема. Например, тромбы - одно из возможных осложнений искусственных сердец. И это может привести к инсульту, если вовремя не принять меры. Тем не менее, вероятность образования тромбов в наши дни намного ниже благодаря огромному развитию противосвертывающих препаратов и материаловедения.
Путешествие в бессмертие
Путь к бессмертию может начаться с неуязвимого сердца, но для того, чтобы люди жили вечно, потребуется гораздо больше… человеческое тело слишком сложное. По крайней мере, нам понадобится технология, позволяющая нашим клеткам бесконечно регенерировать. А может быть и не так далеко. Исследователи из Северо-Западного университета уже нашли способ отключить генетический переключатель, отвечающий за старение у червей… так что скрестим пальцы.