Что такое искусственное сердце и как оно работает?

Медицинские технологии достигли настолько высокого уровня, что сегодня хирурги умеют проводить даже операции по пересадке сердца. Только вот донорских органов очень мало, из-за чего нуждающиеся в них пациенты вынуждены подолгу ждать их появления и иногда не доживают до этого момента. Для увеличения шансов на жизнь, хирурги часто пересаживают людям искусственные органы: инженеры уже придумали механические версии ушей, глаз, почек и других жизненно важных частей тела. Одним из самых сложных органов в человеческом организме является сердце, необходимое для обеспечения органов кровью, богатой кислородом и питательными веществами. Искусственное сердце уже существует и недавно французская компания Carmat выпустила его новую версию. Она оснащена биологическими клапанами, благодаря которым у человека с меньшей долей вероятности возникают осложнения, а сам аппарат работает гораздо тише. Это важное достижение в области медицины, поэтому давайте изучим конструкцию искусственного сердца подробнее.

Искусственное сердце от французской компании Carmat

Искусственное сердце: классика и инновации

22 августа 2022 года исполняется 98 лет со дня рождения Дентона Кули, человека, впервые пересадившего пациенту искусственное сердце, и 49 лет со дня самой операции. Что изменилось в кардиотрансплантологии за последние полвека?

Что такое «искусственное сердце»

Искусственным сердцем сегодня называют два довольно разных типа аппаратов. Оба они, разумеется, выполняют насосную функцию, «качая» кровь по человеческому телу. Однако аппараты первого типа — так называемые АИКи (аппарат искусственного кровообращения) — это большие машины, используемые во время операций на сердце. Фактически они представляют собой комплекс «сердце-легкие», так как состоят из собственно насоса, качающего кровь, и оксигенатора, снабжающего эту кровь кислородом.

Второй тип — это кардиопротез, т. е. такое устройство, которое может выполнять функции сердца после имплантации в организм человека. Именно такой аппарат был впервые пересажен больному в 1969 году Дентоном Кули — как временная мера, пока пациент дожидается подходящего донорского сердца. Тогда пациент прожил после операции 65 часов — и это уже был успех.

Главные проблемы

Сложностей в таком деле, как конструирование искусственного органа, конечно, немало. Но среди них можно выделить две основных проблемы. Первая — это источники энергии: сердце-то внутри, а батарейки должны быть снаружи, чтобы их можно было менять без привлечения хирургической бригады.

Провод, соединяющий батарею и механизм, служит отличной «дорогой» для патогенных микроорганизмов, вызывающих разного рода инфекции. Кроме того, сами батарейки очень крупные — целый рюкзак на спине больного, с которым приходится быть неразлучным.

Вторая — это тромбообразование. Даже пациентам, у которых всего один синтетический клапан в родном биологическом сердце, приходится пожизненно принимать лекарства, снижающие свертываемость (варфарин, ривароксабан). Когда же всё сердце синтетическое, вероятность тромботических осложнений возрастает в десятки раз.

Полностью эта проблема сейчас не решена, но существует компромиссное решение: искусственные сердца выбрасывают кровь не толчками, как «природные», а сплошным непрерывным потоком. В таком потоке отсутствуют турбулентные завихрения, и тромбы образуются заметно реже.

Сам себе батарейка

От проводов, идущих снаружи внутрь, пока избавиться не удается, хотя идеи на этот счет имеются очень интересные. Например, была попытка организации подзарядки непосредственно через кожу пациента. Однако разность потенциалов приводит к развитию сильных дерматитов. Для решения этой проблемы сейчас разрабатывают специальные защитные гели (которые одновременно могут улучшать проводниковые свойства кожи).

А вот для того, чтобы избавиться от тяжелого рюкзака с аккумуляторами, изобретатели предложили весьма изящное решение. Пациент надевает на ногу специальный экзопротез (внешне он похож на ортезы, которые носят люди с травмированным коленом), в который вмонтирован генератор.

Во время ходьбы механическая энергия трансформируется в электричество, которое и обеспечивает работу механического сердца. Можно сказать, что Жванецкий в своей старой миниатюре предсказал появление этого устройства — когда предлагал прицепить к балерине динамо-машину для выработки электричества.

Из материала заказчика

Не отстают и биотехнологии — в частности, выращивание органов из стволовых клеток пациента. У сердца есть одно преимущество перед многими другими органами: в нем не так много различных типов клеток. Но, с другой стороны, сложность в том, что основная масса клеток сердца — сократительные кардиомиоциты — должна быть расположена в одном направлении. Ведь, синхронно сокращаясь, они должны вызывать одно мощное движение, а не картину «лебедь, рак и щука».

Как работает сердце?

Сразу же отмечу, что мы рассмотрим работу искусственного сердца вкратце, потому что это очень сложный орган и для объяснения всех принципов нужно написать целую книгу. По данным издания Interesting Engineering, имплант почти полностью имитирует работу настоящего сердца. Этот орган качает кровь за счет сокращения четырех разных камер: левого предсердия, правого предсердия, левого желудочка и правого желудочка. У здоровых людей один цикл (удар) состоит из трех коротких этапов:

• наполнения предсердия, при котором кровь из крупных вен наполняет предсердия (0,10 секунд);
• сокращения желудочков, при котором кровь отправляется в органы (0,32 секунды);
• перерыва, при котором сердце отдыхает (0,4 секунды).

Правый желудочек и левое предсердие отвечают за малый круг кровообращения. По малому кругу бедная кислородом венозная кровь течет из правого желудочка сердца по легочным артериям к легким и обогащается кислородом. Так из венозной она превращается в артериальную и по легочным венам отправляется в левое предсердие.

Строение человеческого сердца

Левый желудочек и правое предсердие отвечают за большой круг кровообращения. Этот круг необходим для кровоснабжения всех органов организма человека, в том числе легких.

Большой и малый круг кровообращения человека

Опять же отмечу, что это очень краткое описание. Если хотите разобраться, как именно работает сердце, лучше посмотрите это видео. Но сначала рассмотрим искусственное сердце от компании Carmat.

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.

Вопрос-ответ

Правда ли, что можно трансплантировать «мёртвое» сердце? 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.

Насос на 50 лет

Аппарат VentrAssist, созданный австралийскими исследователями, в отличие от сердца AbioCor, не может полностью заменить природный орган. VentrAssist лишь помогает перекачивать кровь левому желудочку — самому нагруженному отделу сердца.

Внутрь тела помещается лишь титановый роторный насос. Его ресурс австралийцы оценивают как 50 лет непрерывной работы. Контроллер и батарею, емкости которой хватает на 8 часов, больной носит на поясе.

По замыслу разработчиков, такой прибор должен помочь многим людям с сердечной недостаточностью. Однако в медицинской практике он появится лишь после соответствующего разрешения лицензирующих органов.

Что делают после пересадки сердца?

Пациент переводится в отделение реанимации или интенсивной терапии. Здесь к нему подключают кардиомонитор для контроля за ритмом.

Искусственное дыхание поддерживается до полного восстановления самостоятельного.

• Контролируется артериальное давление, отток мочи.
• Для обезболивания показаны наркотические аналгетики.
• С целью профилактики застойной пневмонии больному необходимы форсированные дыхательные движения, назначаются антибиотики.
• Для предупреждения тромбообразования показаны антикоагулянты.
• В зависимости от электролитного состава крови назначаются препараты калия, магния.
• С помощью щелочного раствора поддерживается нормальный кислотно-щелочной баланс.

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.

Источники

• Jessen NH., Jensen H., Helsper CW., Falborg AZ., Glerup H., Gronbaek H., Vedsted P. Cancer suspicion, referral to cancer patient pathway and primary care interval: a survey and register study exploring 10 different types of abdominal cancer. // Fam Pract — 2022 — Vol — NNULL — p.; PMID:33904928
• Li T., Ruan DG., Xu XY. . // Sheng Li Xue Bao — 2022 — Vol73 — N2 — p.263-274; PMID:33903888
• Pineda C., Matsumoto K. Types of the New World Stigmoderini (Coleoptera: Buprestidae) deposited in Natural History Museum, London Buprestidae: Buprestinae: Stigmoderini. // Zootaxa — 2022 — Vol4964 — N3 — p.zootaxa.4964.3.2; PMID:33903504
• Singh SM., Liverpool A., Romeiser JL., Thacker J., Gan TJ., Bennett-Guerrero E. Types of surgical patients enrolled in enhanced recovery after surgery (ERAS) programs in the USA. // Perioper Med (Lond) — 2022 — Vol10 — N1 — p.12; PMID:33902705
• Azman NI., Wan-Mustapha WN., Goh YM., Hassim HA., Selamat J., Samsudin NIP. Climatic conditions and farm practices affected the prevalence of Aspergillus section Flavi on different types of dairy goat’s feed. // Int J Food Microbiol — 2022 — Vol347 — NNULL — p.109205; PMID:33901942
• van Wigcheren GF., Roelofs D., Figdor CG., Flórez-Grau G. Three distinct tolerogenic CD14+ myeloid cell types to actively manage autoimmune disease: Opportunities and challenges. // J Autoimmun — 2021 — Vol120 — NNULL — p.102645; PMID:33901801
• Raikova R., Krasteva V., Krutki P., Drzymała-Celichowska H., Kryściak K., Celichowski J. Effect of synchronization of firings of different motor unit types on the force variability in a model of the rat medial gastrocnemius muscle. // PLoS Comput Biol — 2022 — Vol17 — N4 — p.e1008282; PMID:33901164
• Zheng WL., Wang JW., Jiang AD., Rehman Khan SA., Yang XQ., Zhang X., Zhang ZY. Study on environmental performance evaluation of different linkage development types of the logistics and manufacturing industries considering the unexpected output. // J Air Waste Manag Assoc — 2022 — Vol — NNULL — p.; PMID:33900887
• Scharnweber K., Chaguaceda F., Eklöv P. Fatty acid accumulation in feeding types of a natural freshwater fish population. // Oecologia — 2022 — Vol — NNULL — p.; PMID:33900451
• Segal NL. Twin Types: Variations and Common Themes/Twin Research Reviews: Birth Weight and Brain Development; Twinning and Vocabulary Knowledge; Fetal Loss in Twin Pregnancy; Twin-Family Olympic Medal Winners/Human Interest: Young Twin Soldiers; Twin-Run Laundry; Male-Female Pair and Politics; Twin-Based Graphic Novel; Twin Sisters’ Deliveries. // Twin Res Hum Genet — 2022 — Vol24 — N1 — p.89-94; PMID:33900160