Главная Щитовидная железа Российские ученые создали искусственное сердце на основе дисков. С сердцем в рюкзаке

Российские ученые создали искусственное сердце на основе дисков. С сердцем в рюкзаке

МОСКВА, 29 сен — РИА Новости, Анна Урманцева. Всемирная федерация сердца в 1999 году учредила Всемирный день сердца, который отмечается ежегодно 29 сентября. Сердечно-сосудистые заболевания — самая распространенная причина смертности в мире, хотя она в последнее десятилетие и значительно снизилась.

Ученые, инженеры, биофизики, материаловеды всей планеты работают над созданием искусственного сердца. Так почему же до сих пор не удается произвести вроде бы простой биологический насос, который просто гонит кровь?

В мире зарегистрированы сотни патентов, защищающих авторские права как создателей отдельных желудочков сердца, так и полноценных аппаратов — искусственных сердец. Однако небольшое количество операций по установке полностью искусственных сердец (всего несколько десятков) пока несравнимо по количеству с тысячами проведенных операций по имплантации отдельных искусственных желудочков. Причем желудочки устанавливают чаще всего на время, пока пациент ждет донорское сердце. Получается, что ни одна инженерная разработка пока не может заменить сердце биологическое.

Поясняет главный трансплантолог Сибирского федерального округа, разработчик искусственного сердца Александр Чернявский: "Сейчас в мире существует несколько используемых разработок искусственного сердца. Самое продвинутое пневматическое сердце — это SinCardia от американской компании CardioWest. Это сердце создано много лет назад, и его постоянно совершенствуют. Последняя модель довольно удачная — там маленький пневмопривод. В ходу и еще одна американская модель — Jarvik 7. У всех на слуху самое инновационное французское сердце — Carmat, но с ним пока много проблем. У нас в России пока разработан только искусственный левый желудочек АВК-Н "Спутник". Но в мире в этой области сделано очень много, поэтому если мне кто-то скажет, что предложил что-то новое, я не поверю, потому что сделать это сейчас исключительно сложно."

После установки искусственных сердец и желудочков обычно возникает три проблемы. Первая — это инфекционные осложнения, потому что пока не удается имплантировать искусственное сердце так, чтобы оно не подзаряжалось от внешних носителей. А выход на поверхность тела для провода является одновременно входом для инфекции. Пока не найдены подходы по преодолению этой проблемы, хотя изучалась возможность подзарядки через кожу, но разница потенциалов обычно вызывает сильный дерматит. Также были фантазии по поводу установки внутри тела человека небольшого термоядерного реактора, который мог бы вырабатывать энергию, но и на эту тему ученые думать уже перестали. Пока любое искусственное сердце или желудочек питается от батарейки снаружи. В среднем менять батарейку нужно через 8-10 часов.

Вторая проблема — тромбогеморрагические осложнения. Все люди, имеющие искусственные сердца, принимают препараты, разжижающие кровь. В искусственном сердце имеется четыре искусственных клапана, которые довольно быстро приходят в негодность. Поэтому анализы таких пациентов всегда показывают повышенную тромбоопасность. Для того чтобы снизить ее, в некоторых конструкциях отсутствует пульс, то есть аппараты гонят кровь непрерывным потоком. Некоторые специалисты считают, что таким образом снижается опасность тромбообразования, поэтому идеальное искусственное сердце не должно пульсировать.

Третья проблема — гемолиз, то есть разрушение эритроцитов крови с выделением в окружающую среду гемоглобина. Люди постепенно желтеют, их кровь портится. Однако с этой проблемой справиться легче всего.

Кроме этих трех проблем, есть еще задачи, которые пока не ясно, как решать.

Объясняет директор Национального медицинского исследовательского центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В. И. Шумакова, академик РАН Сергей Готье: "Любой искусственный насос проигрывает, так как не имеет возможности самообновляться, как это делает биологическая ткань. Почему у нас сердце работает всю жизнь? Потому что происходит смена клеточного состава и есть постоянный приток кислорода. Сердце работает настолько гемодинамически идеально, что не возникает ни турбуленции, ни тромбоза, если конечно, речь идет о здоровом сердце. Оно ускоряется, если мы побежим, и замедляет пульсацию, когда мы останавливаемся. Для того чтобы искусственный насос работал в таком режиме, он должен управляться микрокомпьютером. Получается, что нужно создать очень высокотехнологичное устройство. А это очень дорого! Пока оптимальным решением и по цене, и по эффективности работы является пересадка донорского сердца."

Тем не менее, как считает академик Сергей Готье, разработки искусственных сердец нужно непременно продолжать, поскольку, получив идеальное искусственное сердце, человек избавится от тяжести иммуносупрессии — отторжения чужеродной ткани, которая происходит при трансплантации. На данный момент биологические сердца пока незаменимы, но искусственные образцы постепенно совершенствуются и завоевывают признание врачей.

Существует несколько видов искусственных сердец: они либо заменяют человеческое полностью, либо только одну его часть. Чаще всего используется второй вариант — насос, работающий как искусственный левый желудочек (хотя бывают и правые). Показаний для подобной имплантации, как правило, несколько. Первое и одно из самых распространенных — насос как «мост» к трансплантации (ТС): когда пациенту необходима ТС, но по каким-то причинам в данный момент донорского сердца нет, и нужно дождаться его появления. Второй вариант — «мост» к принятию решений: когда пересаживать сердце рискованно, так как имеются некоторые противопоказания — нарушения функции внутренних органов, повышенное давление легочной артерии и т. д. В этом случае пациент наблюдается от трех до девяти месяцев: обычно за это время проходят неблагоприятные симптомы, и становится возможной полноценная пересадка.

Другие случаи происходят реже: в частности, абсолютные противопоказания к пересадке — например, людям со злокачественными опухолями. После трансплантации сердца необходима иммуноподавляюшая терапия, а раковым больным она противопоказана. В такой ситуации врачи предлагают пациенту продлить жизнь с помощью искусственного сердца, которого может хватить на несколько лет. Описаны случаи, когда пациенты свыше десяти лет живут с аппаратами вспомогательного кровообращения и даже отказываются от предложений о пересадке донорского сердца, мотивируя это хорошим самочувствием.

— После подобного вмешательства человек ограничен в передвижениях, потому что насос постоянно требует подзарядки, — рассказывает руководитель Центра хирургии аорты и коронарных артерий в Национальном медицинском исследовательском центре им. академика Е.Н. Мешалкина доктор медицинских наук Александр Михайлович Чернявский. — Например, будет трудно улететь в Америку: современные аккумуляторы держатся не более 9 часов, а полет длится 12. Зато на поезде проще — там есть розетки.

Наиболее редкое показание — временная имплантация для восстановления пораженной сердечной мышцы. Бывают случаи, когда у человека обнаруживается острый вирусный миокардит. В результате функция сердца падает настолько, что ее нужно замещать. Для этого и имплантируется насос: он несколько месяцев «прокачивает» сердце, а оно в это время восстанавливается в процессе лечения миокардита.

Существует несколько видов таких насосов. Первый — лопастный — давно создан и в России, и за рубежом. Он работает благодаря импеллеру — колесу с лопастями, вращающемуся вокруг продольной оси со скоростью от 7 000 до 10 000 оборотов в минуту: таким образом насос прокачивает до 10 литров крови за 60 секунд.

— Питание идет благодаря двум батарейкам: каждая из них обеспечивает работу насоса примерно четыре часа, — добавляет Александр Чернявский. — Когда одна разряжается, пациент ставит ее на зарядку, а сердце в это время работает от другой. Во время сна пациенты подключаются к обычной электрической сети через специальный коммутатор. Зарядка происходит через кабель, выходящий из тела: за ним нужно ухаживать, перевязывать, чтобы не было инфекций. Еще у устройства есть контроллер: через специальный разъем туда вводятся параметры, необходимые для работы сердца: производительность, скорость вращения ротора и т. д.

Лопастный насос

Другой тип таких насосов — дисковый, где вращается не импеллер, а (что логично) диски. Специалисты Клиники Мешалкина создали первый отечественный дисковый насос совместно с Институтом теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН: сердце было сделано на основе насоса, ранее применявшегося в космосе. Получившееся устройство представляет собой пакет дисков, расположенных друг над другом с фиксированным зазором в 0,5 мм. При вращении диски крутятся благодаря специальному электродвигателю, за счет молекулярного трения захватывают кровь и в итоге выбрасывают ее обратно в организм.

— Новый насос совсем небольшой — диаметром в 4 см и высотой в 2 см, так что его легче и удобнее имплантировать, — отмечает специалист. — При этом он способен качать 7—8 литров крови в минуту. Также насос снижает контакт деталей с кровью и риск образования тромбов. Около стенки диска образуется безэритроцитный слой плазмы, поэтому эритроциты не контактируют с поверхностью и благодаря этому предотвращается повреждение элементов крови.

Пока насос на стендовых испытаниях: неизвестно, сколько времени понадобится, прежде чем он войдет в практику. Еще решены не все проблемы: у ученых пока не получилось создать хороший мотор, крутящий диски с малым потреблением энергии и без нагрева. Мотор — специфичное изделие, которое должно быть небольшим, компактным, хорошо управляемым и обладать мощностью в 5—6 ватт. Моторы на 25—30 ватт быстро нагреваются, а температура более 40 °C в организме приводит к ожогам окружающих тканей и свертыванию крови.

— Мы обратились в новосибирскую компанию «Импульс-проект», которая взялась за эту задачу и в течение двух лет работает над созданием мотора, — добавляет Александр Чернявский. — Как только мы сделали хороший мотор, потребляющий мало энергии, выяснилось: другая часть насоса слабая. Чтобы это поправить, необходимо разработать не только подшипник, но и специальное покрытие для снижения трения и нагрева корпуса насоса и ротора. Сейчас мы заняты созданием специального покрытия, чтобы трение подшипника было минимальным. Так что проблем при разработке больше, чем нам казалось изначально, но я надеюсь, что года за два мы закончим этот проект и перейдем к испытанию насоса в эксперименте на животных.+

Технология постоянно развивается: сейчас появляется идея о зарядке сердца через кожу с помощью электромагнитного поля. Пока это не совсем безопасно — в результате такого «питания» появляется дерматит и воспаление кожи, однако ученые занимаются разработкой специальных защитных гелей. Если всё получится, система будет полностью имплантирована в организм — без кабеля, который является основным источником инфекции.

Современная медицина не стоит на месте, проводятся сложнейшие оперативные вмешательства, даже трансплантация, чтобы спасти человеческую жизнь. Но трансплантацию сердца многие пациенты ожидают годами, а у многих из них просто нет времени ждать… Таким пациентам облегчить жизнь, или дождаться очереди на трансплантацию может помочь искусственное сердце. Мы живём в век современных технологий, когда механические приборы проникают в наш быт, в наше тело, а также в наши сердца. Человек с искусственным сердцем — реальность или герой книги жанра фэнтези? Может ли механический прибор стать заменой родному «мотору» человеческого организма?

1 Искусственные детали

В развитом современном обществе уже никого не удивишь новостью о протезировании клапана, или установке искусственного кардиостимулятора, стента в коронарный сосуд. А ведь все эти имплантируемые устройства, направленные на поддержание работы родного, человеческого «мотора» являются запчастями, деталями сердца искусственного.

Кардиостимулятор заменяет клетки, ответственные за выработку импульсации, механический протез клапана берёт на себя роль повреждённого и успешно с ней справляются, каркасные стенты, представляющие собой металлическую сетку спасли уже не одну жизнь от инфарктов, поскольку восстанавливают нарушенный коронарный кровоток. Искусственные сердечные запчасти успешно имплантируются в сердечно-сосудистую систему, приживаются и спасают жизни.

А как насчёт того, чтобы собрать все эти запчасти воедино и создать полностью искусственное сердце? Немного истории.

2 Первые шаги от естественного к искусственному

4 апреля 1969 года в кардиологический центр г. Хьюстона поступает умирающий пациент сорока семи лет с диагнозом «сердечная недостаточность». Оперирующий хирург идёт на рискованную операцию: он устанавливает пациенту механический насос, который временно исполняет функцию отказавшего органа. Трое суток установленный насос качает кровь за него. Благодаря именно этому насосу пациент выживает до пересадки ему донорского органа. Так дата 4 апреля 1969г. стала началом подобия имплантации искусственного сердца.

3 Сердечные механические запчасти

В помощь повреждённым болезнью, неспособным справляться с перекачиванием крови по организму желудочкам сердца, учёные создали искусственный желудочек. Это механическое устройство, насос, облегчающее перекачивание крови. Эти механизмы могут быть расположены как снаружи, так и внутри органа. Первые модели искусственных желудочков сердца были изготовлены в Америке. На первых механических моделях желудочки заменяли два пластиковых мешочка, а работы сердечных клапанов выполняли пластиковые мембраны, изготавливались детали в основном из полихлорвинила.

Механизм работал от огромной пневматической машины, она была чрезвычайно шумной, а также выглядела очень громоздко, пациент с таким имплантированным устройством мог жить лишь в условиях стационара. У данной модели было много недостатков. В конце 90-х годов появились усовершенствованные миниатюрные электрические турбины. Данные турбины имеют большое сходство с двигателями от самолётов, они способны перекачивать кровь десятилетиями. Насос с турбиной весит примерно 200-250 грамм, его габариты 10-15 см.

Выглядит он куда меньше человеческого кулака. Данный прибор подсоединён к управляющему блоку, процессору с аккумулятором выглядит она как сумка, которая прикрепляется на пояс человеку. Аккумулятор необходимо перезаряжать спустя несколько часов. Человек при помощи этого блока способен регулировать работу искусственного желудочка, замедлять или ускорять вращение турбин. От процессора отходит кабель, идёт через кожные покровы непосредственно к искусственному желудочку.

Показаниями для использования данных турбин чаще возникают при отказе в работе родного левого желудочка сердца. Именно он быстрее всех «изнашивается» при сердечной недостаточности. Турбина содержит электродвигатель или осевой насос, который и осуществляет перекачивание крови. Осевые насосы для искусственного аппарата лёгкие, имеют малые размеры, потребляют минимум энергии. Насос создаёт не пульсирующий, а постоянный ток крови.

Поэтому у людей с вживлённым механическим желудочком нет пульса. Но отсутствие пульсовой волны никак не сказывается на качестве жизни. Электрический левый желудочек может работать параллельно с родным сердцем, облегчая работу последнего. На сегодняшний день искусственные желудочки успешно внедрены и работают в телах нескольких тысяч пациентов по земному шару, они позволяют людям ходить, водить автомобиль, вести полноценный образ жизни, пусть и с некоторыми ограничениями.

4 Способна ли машина к чувствам?

Помните историю о железном дровосеке, который отправился к волшебному Гудвину за сердцем? С детства нам известно, что металл не способен отвечать на чувства и эмоции. Как же искусственное сердце будет реагировать на эмоциональные всплески, чувства, переживания? Ведь родной человеческий «мотор» чутко улавливает эмоции, смену настроения, и даёт отклик организму в виде гемодинамических изменений — урежения или усиления ЧСС, снижения или повышения давления. Эти изменения необходимы, чтобы обеспечить кислородом и нутриентами все органы в условиях общего стресса.

Способно ли искусственное сердце человека также подстраиваться под изменения настроения? Учёные разработали быстродействующий цифровой процессор — «мозг», управляющий искусственным органом. В доли микросекунды система распознаёт изменения в работе механического прибора и перезапускает его работу заново. Но полностью доверить работу таким процессорам пока не разрешено. Человек сам может задавать ритм и частоту биения (вращения двигателя) искусственного сердца путем переключения кнопок на внешнем носителе, к которому оно подключено.

Полностью программируемое механическое сердце, как обещают, ученые еще в перспективе, на сегодняшний день есть наработки, которые еще требуют изучения. Все модели искусственных сердец и новые технологии должны проходить крупномасштабные испытания. Первыми испытателями искусственных сердец обычно становятся годовалые телята или свиньи. Их сердца наиболее близки к человеческим по размеру, и перекачивают примерно одинаковые объёмы крови.

5 Минусы искусственного прибора

Несмотря на большие преимущества, которые дарит искусственное сердце, у пациентов могут возникать следующие осложнения:

Тромбозы. Риск инсультов у таких пациентов высок, поскольку вращающиеся турбины двигателя повреждают форменные элементы крови, а повреждённые тромбоциты имеют большую способность к склеиванию и оседанию. Также сам насос, являясь инородным телом, провоцирует тромбообразование. В последнее время на внутреннюю поверхность насоса и турбин наносят алмазную наноплёнку, она нужна для профилактики тромбообразования, поскольку именно тромбозы являлись главным осложнением после вживления искусственных деталей механического сердца.
Восходящая инфекция. Часто именно инфекция служит причиной летального исхода пациентов с искусственным сердцем. Ворота инфекции — кабель, одним концом подсоединённый к внешнему процессору, а вторым к искусственному вживлённому в сердце механическому устройству.

Учёные пытаются сделать искусственное сердце человека полностью автономным, без внешних аккумуляторов, тогда бы многие риски и осложнения снизилась бы во много раз.

6 Полная замена

В 2010 году в Америке 55-летний пациент с крайней степенью сердечной недостаточности дал согласие на пересадку искусственного сердца — двух миниатюрных электрических турбин, выполняющих роль правых и левых сердечных камер с постоянным кровотоком. Работой обеих турбин управляет внешний процессор. На протяжении первых двух недель пациент чувствовал себя очень хорошо, но прожил он чуть больше месяца. Пересадка искусственного сердца — двух турбин, полностью заменяющих родной «мотор», производиться во многих странах, эта операция позволяет многим пациентам дожить до трансплантации.

7 Не «вместо», а «в помощь»

В России специалисты клиники Мешалкина и Института прикладной физики разработали механическое сердце — прибор, способный поддерживать больной «мотор» человека, а именно ослабленный левый желудочек. Его значительным преимуществом является дисковый насос, который существенно снижает риск образования тромбов. Показаниями к его вживлению могут стать пациенты, ожидающие пересадки сердца, пациенты с тяжёлой сердечной недостаточностью, с отказавшим в работе левым желудочком.

Биофизик Константин Агладзе о проблемах, перспективах и стоимости выращивания сердца и других органов.

Сегодня существует несколько серьезных проблем, связанных с созданием сложного структурного многоклеточного органа. Одна из основных задач состоит в том, чтобы получить трехмерную ткань стенки сердца толщиной в палец или два. Толщина зависит от того, какая это стенка желудочка и какого именно желудочка, правого или левого. Получать монослои клеток и выращивать такие ткани мы уже можем. Проблема же в том, чтобы одновременно с мышечной тканью вырастить и сосудистое русло, через которое эта мышечная ткань будет снабжаться кислородом и питательными веществами и будут выводиться продукты метаболизма. Без сосудистого русла, без адекватного снабжения клетки в толстом слое, естественно, погибнут. В тонком слое они могут питаться благодаря диффузии питательных веществ и кислорода, а в толстом слое диффузии уже недостаточно, и глубокие слои клеток будут погибать. Сейчас мы можем делать порядка трех слоев сердечных клеток, которые способны выжить.

Данко – герой третьей части рассказа Максима Горького “Старуха Изергиль”

Это главная фундаментальная задача, которую нужно решить в первую очередь. После можно будет приступить к решению следующих.

Например, говоря о перспективных имплантатах, нужно помнить, что сосудистое русло имплантата необходимо будет подключить к сосудистому руслу, которое уже имеется в другой части сердца реципиента. То есть нужно вырастить сосудистое русло определенной анатомии.

Выращивание целого сердца с множеством его отделов, клеток и собственной проводящей системой - это очень сложная многоклеточная задача. Точная копия человеческого сердца может быть получена приблизительно через 7–10 лет в хорошо оснащенных лабораториях развитых стран.

Что касается сердечной стенки, то, решив проблему васкуляризации, имплантаты, годные для испытаний, можно будет получить в течение 2–3 лет.

Сегодня в Соединенных Штатах относительно простая операция аортокоронарного шунтирования стоит от 30 до 50 тыс. долларов в зависимости от клиники и сложности случая. При этой операции всего-навсего открывается грудная клетка, сердце, ставится шунт (bypass) на поврежденные атеросклерозом артерии. Теперь представьте, что требуется на стенку сердца нашить целый кусок, который предварительно нужно вырастить. Когда эти процедуры будут уже разработаны, то стоимость может достигать 500 тыс. долларов.

Через 7–10 лет эта задача будет в той или иной форме принципиально решена. И здесь стоит сказать о том, что решена она может быть нетривиальным способом. Дело в том, что основная задача сердца - насосная. Сердце - это не железа, которая вырабатывает гормоны, это насос. Нам нужно, чтобы кровь прокачивалась и не травмировалась при прокачке.

Травмирование крови - это как раз проблема внешних насосов, которые используются при операциях на сердце. Когда их только разрабатывали, основной трудностью было то, что эритроциты и другие элементы крови этими насосами повреждались.

Современное развитие материалов может привести к тому, что будет создано механическое сердце, которое можно будет подшить, чтобы оно спокойно выполняло функции биологического сердца, которое дает человеку природа. Это просто полимерный насос, сделанный из биосовместимых материалов. Уже сегодня есть примеры установки вспомогательного насоса для желудочка, как правило левого, так как именно он гонит кровь по большому кругу.

В перспективе 5–10 лет станет понятно, стоит ли тратить время и силы на то, чтобы выращивать новое сердце, или проще будет поставить человеку механическое сердце.

Если в целом говорить об импортируемых системах, то сердце здесь не самый удобный объект. Разумнее продвигать эксперименты на печеночных или почечных тканях. Например, полоски печени легко выживают сами по себе и относительно легко прирастают. Дать человеку, у которого печень поражена циррозом, новую часть печени, которая могла бы начать регенерировать и расти сама по себе, - это гораздо более разумное приложение сил.

7 января 2011 года в университетском медицинском центре города Сан-Диего была проведена первая в мире операция по имплантации протеза сердца - первого же из подобных технических устройств, одобренного специалистами на федеральном уровне. В ходе 4-часового оперативного вмешательства калифорнийские кардиохирурги полностью удалили больное сердце пациента и вставили на его место высокотехнологичное устройство, которое моментально восстановило кровоток в человеческом теле. Пациент, молодой парень 20 лет отроду, который страдал от тяжелого вирусного поражения сердца, в настоящее время возвращается к нормальной жизни.

«Механизм, который полностью заменяет человеческое сердце, весьма пригоден и хорош для тех пациентов, у которых на фоне кардиологических проблем развивается недостаточность в работе почек, печени, органов пищеварения, легких или мозга. Даже если жизненно важный орган вот-вот откажет, процесс можно уверенно повернуть вспять», заявил руководитель группы кардиохирургов, профессор Джек Коупленд. «После установки и запуска полностью искусственного сердца пациенты способны избавиться от расстройств обмена веществ, если только они достаточно молоды и не страдают другими хроническими заболеваниями».

В ходе операции по трансплантации искусственного сердца пациенту вскрыли грудную клетку. С помощью специальных препаратов естественное сердце остановили, чтобы оно своим биением не мешало хирургам работать. Внешний аппарат искусственного кровообращения продолжил «гонять» по сосудам организма насыщенную кислородом кровь. Затем профессор Коупленд удалил оба желудочка больного сердца и присоединил к его предсердиям волшебный механизм. Аппарат искусственного кровообращения отключили, и новое сердце начало качать кровь, с интенсивностью 8 литров в минуту. Возвращение 20-летнего умирающего пациента к жизни хирурги смогли наблюдать собственными глазами. Два дня спустя человек с искусственным сердцем стал дышать самостоятельно, а менее чем через две недели встал с больничной койки и прогулялся на расстояние 30 метров. Теперь больному предстоит еще одна операция. Ведь постоянно жить с механизмом внутри нельзя, ожидается пересадка настоящего, живого сердца.

От сердечной недостаточности страдают десятки миллионов людей в мире. Кому-то удается жить на бета-блокаторах, но если процесс заходит глубоко, единственный выход - пересадка донорского сердца. Таких сердец на всех не хватает, поэтому временное вживление искусственного сердца - это шанс выжить и дождаться желанного транспланта. Единственная проблема - в том, что грудная клетка долго заживает.

Профессор Коупленд занимается операциями на сердце более 30 лет. На счету хирурга-виртуоза - 950 успешных операций по полной или частичной пересадке «пламенных моторов» человеческого организма.