Современные ученые всерьез задумываются над тем, как лечить пациентов с тяжелыми заболеваниями сердечно-сосудистой системы , которые являются одной из основных причин смертности в мире. Недавно ученые из США сумели создать искусственное сердце, которое на данный момент является самым мощным в мире. Этот орган создан из мягкого материала, он позволяет качать очень большой объем жидкости, если сравнивать с другими приборами.
Материал, из которого создан орган — гибкий силикон , позволяет воздуху проникать внутрь, что отличает новое «сердце » от тех кардиопротезов, которые были изобретены ранее. Поэтому протез способен работать практически так, как и настоящее сердце.
Специалисты сделали внешний насос из специальных материалов, не вступающих с тканями тела человека в реакции. С помощью этого насоса жидкость и воздух проходит сквозь искусственный орган. Сердце покрыто пластиком, который является своеобразной «кожей», предотвращая утечку материалов.
Правда, от обычного человеческого сердца этот орган отличается: если в сердце человека четыре камеры, то в искусственном протезе – только две. Но ученым удалось достигнуть стабильности процесса перекачки жидкости между камерами.
Правда, пока что изобретенный учеными протез, к сожалению, в медицинских целях не используют. Дело в том, что пока что недостаточно изучены свойства материалов, из которых изготовлен орган, в условиях человеческого тела. К тому же пока что скорость перекачивания жидкости не полностью идентична этому процессу в естественных условиях. Поэтому работа над совершенствованием этого изобретения будет продолжаться.
Ну а пока что есть смысл позаботиться о здоровье сердечно-сосудистой системы и укреплении сердца. В частности – избавиться от вредных привычек и укреплять сердце с помощью физических тренировок. Однако тренироваться тоже нужно правильно. Так, ученые из Техасского Юго-Западного Университета считают, что проблемы с сердцем нельзя решить с помощью непродолжительных, получасовых тренировок. Дело в том, что ранее Американская кардиологическая ассоциация рекомендовала заниматься хотя бы 30 минут в день, чтобы снизить вероятность развития сердечной недостаточности . Была проанализирована информация, полученная вследствие нескольких исследований, посвященных физической активности. Выяснилось, что риск развития болезней сердца был практически идентичным у людей, вообще не занимающихся спортом, и у тех, кто занимался физкультурой каждый день по полчаса. А те, кто тренируется в день по 2 или 3 часа, снижают риск развития заболеваний сердца соответственно на 20% и 35%.
Сегодня есть немало медицинских приборов, имитирующих естественные органы или части органов человека: усилитель слуха, электронный водитель сердечного ритма, хрусталик глаза, созданный из специальной пластмассы, биопротезы и т. д. Особняком стоит искусственное сердце, ведь этот орган является жизненно важным, и без него невозможна дальнейшая жизнь человека, которая, например, может сохраняться без одной почки или лёгкого.
Что представляет собой аппарат
Искусственное сердце — четырёхкамерный протез с желудочками мешотчатого типа. Аппарат состоит из двух частей, каждая из которых имеет искусственное предсердие и желудочек, который состоит из рабочей камеры, корпуса, выходных и входных клапанов. Корпус у него изготовлен из специальных силиконовых материалов посредством многослойного нанесения. Для изготовления рабочей камеры также используют латексную резину и силиконовые детали. Толщина стенок разнится, а также они отличаются определённой пассивностью и активностью. При этом конструкция сделана так, что стенки её во время работы не соприкасаются, чтобы не повредить кровеносные сосуды.
К сожалению, искусственное сердце — это пока только аппарат, который вживляется на время, чтобы человек мог дождаться своей очереди на пересадку жизненно важного органа. Ресурс такого аппарата может быть разным: в среднем он рассчитан примерно на год использования. Но известен случай, когда пациент прожил с ним 17 месяцев, нося устройство за спиной в рюкзаке. Тем не менее работы и исследования ведутся, и врачи рассчитывают на то, что когда-нибудь они создадут аппарат, который можно будет вживлять на постоянной основе.
Из минусов можно выделить тот факт, что пациентам приходится постоянно носить с собой тяжёлый аккумулятор для аппарата. Без него вся работа встанет. Правда, современные разработчики уже придумали, как облегчить такую тяжёлую ношу. Они создали экзопротез ноги с генератором. Это устройство, которое надевается на ногу, но при этом не мешает движениям. Энергия вырабатывается во время ходьбы. При этом использование такой разработки не исключает применение и дополнительного аккумулятора в качестве запасного. Ночью же при использовании такой технологии можно переключать сердце на большой аккумулятор.
Принцип действия
Искусственное сердце работает следующим образом: для начала в воздушные камеры подаётся воздух, затем он через гибкую мембрану поступает в кровяную камеру и начинает толкать кровь в магистральный сосуд. В воздушной камере тем временем образуется вакуум, из-за чего мембрана втягивается внутрь. В кровяную камеру кровь поступает из предсердия. Весь этот процесс регулируется приводом аппарата.
Искусственное сердце устанавливают тем людям, у которых диагностируют :
- Ишемию, развившуюся на фоне тяжёлого инфаркта;
- Ряд форм дилатационной кардиомиопатии, а также иные тяжёлые патологии сердечной мышцы, когда она перестаёт справляться со своими фуекциями.
Такие патологии нередко требуют пересадки сердца, т. к. само по себе оно не может уже больше работать полноценно.
Естественно, что человеку, которому поставили такой протез, приходится находиться под постоянным и чётким контролем врачей. Среди требований, которые будут к нему предъявляться, довольно много ограничений. Так, например, придётся отказаться от физической активности, причём совершенно любой, даже от лёгких пробежек. Также ему следует исключить подъём тяжестей. Пациенту, использующему искусственное сердце, необходимо соблюдать чёткий режим и распорядок дня, высыпаться, достаточно времени проводить на свежем воздухе и т. д. Естественно, ему противопоказаны нервные потрясения и нагрузки. Также следует очень чётко (буквально по часам) использовать различные медицинские препараты, прописанные врачом. И соблюдать всё надо максимально дотошно, ведь от этого напрямую зависит жизнь человека.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.
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.
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.
© AP Photo / Andrew Caballero-Reynolds
© AP Photo / Andrew Caballero-Reynolds
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.
