Zkoušky a strasti výroby umělého srdce

Tento článek je výňatek z knihy Sian E. Hardingové „Skvělý stroj: Nová věda o srdci.“ Původně byl uveden na The MIT Press Reader.

Nic neukazuje jasněji dokonalé inženýrství srdce než naše vlastní neúspěšné pokusy o jeho napodobení. Tato historie totálního umělého srdce je přerušována jak brilantními inovacemi, tak neustálým klinickým selháním. V roce 1962 vyzval John F. Kennedy vědeckou komunitu, aby přistála na Měsíci a bezpečně ho vrátila na Zemi do konce desetiletí. V roce 1964 přesvědčil kardiovaskulární chirurg Michael DeBakey prezidenta Lyndona B. Johnsona, aby financoval program vývoje prvního funkčního samostatného umělého srdce, čímž zahájil závod o jeho úspěšné zhotovení před přistáním na Měsíci. V roce 1969 byly oba cíle zjevně splněny, přičemž Texas Heart Institute implantoval první totální umělé srdce pouhé tři měsíce před startem Apolla 11. Zatímco však přistání na Měsíci vedla k raketoplánu, Mars Roveru a Mezinárodní vesmírné stanici, a (navzdory dlouhému klidu) nejnovější má za cíl vyvinout měsíční základnu, která nás přivede na Mars, spolehlivé běžně dostupné totální umělé srdce je stále v nedosažitelnosti.

Umělé srdce bylo zpočátku zaměřeno na celoživotní náhradu selhávajícího orgánu. To byla vysoká laťka, kterou bylo možné dosáhnout, protože první design měl externí kompresor s vedením vzduchu přes kůži do těla pacienta. Stlačený vzduch nafoukl a vyfoukl dacronové váčky nebo vaky, které se zhroutily a expandovaly, aby vytlačily krev z okolního vaku. Mít kompresor mimo tělo bylo užitečné, protože mechanické části (které byly nejnáchylnější na opotřebení) se daly snadno vyměnit, znamenalo by to, že s pacientem by bylo možné převážet objemný kus vybavení. Bylo těžké pochopit, jak by to mohlo být dáno pacientovi a očekávat, že bude žít i jen částečně normální život po mnoho let.

Historie umělého srdce se však také prolíná s historií transplantace srdce. Na začátku 60. let to byl opět jen nadějný sen, ale v roce 1967 provedl kardiochirurg Christian Baarnard v Kapském městě první úspěšnou transplantaci. Nyní byl účel těchto prvních umělých srdcí změněn. Nepotřebovali být vhodné na celý život; jejich účelem bylo udržet pacienta naživu, dokud se nenajde dárce transplantátu. Stejně jako u mnoha vysoce experimentálních terapií byl první případ proveden na pacientovi, kterému došly možnosti. Sedmačtyřicetiletý muž byl operován za účelem opravy obrovského aneuryzmatu levé komory, které ztenčilo a oteklo srdeční stěna. Podporoval ho přístroj srdce-plíce, který obešel srdce a udržoval krev v těle. Na konci operace ho však nebylo možné od přístroje odstavit, protože jeho srdce bylo příliš slabé. Zoufale potřeboval transplantaci. Denton Cooley, DeBakeyův spolupracovník, mu nabídl nové experimentální totální umělé srdce a on přijal. Pacient byl s novým zařízením udržován ve stabilní poloze po dobu 64 hodin, dokud nebylo nalezeno odpovídající srdce dárce a poté transplantováno.

Zpočátku to vypadalo jako triumf totálního umělého srdce, ale tragicky pacient zemřel o 32 hodin později na sepsi. Nejen to, ale přístroj poškodil jak krev, tak ledviny a stěny roztažitelných váčků byly pokryty krevními sraženinami. To předznamenalo řadu problémů, které budou i nadále mařit vědce a inženýry zápasící s tímto postupem. Infekce a sepse jsou neustálou výzvou pro jakékoli zařízení, kde je drát, který musí trvale procházet kůží. Zařízení, která pohybují krví, změní její složení a cizí povrchy způsobí srážení krve, což má za následek mrtvici a rozpad krve. První Jarvikovo srdce, jedna z dalších iterací, bylo implantováno pěti pacientům a jeden žil 620 dní. Ale dva z pacientů měli těžké mrtvice a nakonec všichni zemřeli buď na sepsi, nebo na problémy s krví.

Také transplantace srdce měla nejistý začátek, první Baarnardův pacient zemřel již po 18 dnech. První pacient ve Spojeném království, jehož transplantaci provedl kardiotorakální chirurg Donald Ross v londýnské National Heart Hospital, přežil pouze 45 dní a obecná úspěšnost zůstala zklamáním. Problémem zde nebyla mechanika operace ani počáteční výkon nového srdce. Byl to nesoulad imunitního systému příjemce a dárcovského srdce. I když srdce dárce je co nejblíže pacientovi s hlavními typy tkání, imunitní systém musí být potlačen, aby srdce nebylo odmítnuto. Léky na potlačení imunitního systému nebyly v prvních dnech příliš sofistikované, ale vývoj cyklosporinu na počátku 80. let způsobil revoluci v imunosupresi, která dramaticky zlepšila úspěšnost transplantace srdce. Nyní je obětí svého vlastního úspěchu, protože mnohem více lidí potřebuje transplantaci, než je dárců. Ve Spojeném království se ročně provede pouze asi 200 transplantací, přestože více než 750 000 žije se srdečním selháním a podobná čísla jsou vidět po celém světě. Aby zaplnili tuto mezeru, vědci geneticky modifikovali prasata tak, aby jejich srdce byla kompatibilní s lidským imunitním systémem, aby mohla být transplantována pacientům, aniž by byla odmítnuta. To se ukázalo jako velmi složité a náročné, ale první klinické transplantace byly zahájeny v roce 2022.

Úspěch transplantace srdce však znovu oživil hledání úplného umělého srdce s dosažitelnějším cílem udržet pacienta naživu, dokud se nenajde dárce, neboli „most k transplantaci“, jak se tomu říká. Po desetiletí se technologie umělého srdce zdokonalovaly změnami na biokompatibilnější materiály, lepší design chlopní a efektivnější řízení průtoku krve. Bylo dosaženo úspěchů: jedna studie viděla, že 80 procent pacientů na umělém srdci přežilo déle než rok a někteří 6 let. Nejdelší doba, po kterou byl pacient podporován k transplantaci, byla 1 373 dní. Ale závažné infekční komplikace byly stále běžné a cíl kompletní „destinační“ terapie pro umělá srdce byl stále vzdáleným snem.

Mezitím naléhavá potřeba přemostit k transplantaci posunula technologii jiným směrem. Namísto úplného nahrazení selhávajícího srdce bylo myšlenkou podpořit jej tím, že bude napomáhat průtoku krve. Komorové asistenční zařízení, neboli VAD, odebíralo krev ze srdeční komory úplně jinou cestou a tlačilo ji do aorty pod vysokým tlakem. Tím se přidala krev vypuzovaná ze srdce a tím se zvětšil efektivní srdeční výdej. Vyřešil také další problém, na který narazili inženýři totálních umělých srdcí – jak vyvážit průtok krve pravým a levým srdcem. Množství krve cirkulující v levé komoře/tělesné smyčce musí být velmi blízké množství v pravé komoře/kličce plic. Při 100 000 tepech denně by i čajová lžička rozdílu v každém tepu přidala až 500 litrů krve na nesprávném místě. Srdce vyvinulo složité biologické mechanismy, aby se ujistil, že se to nestane, ale inženýři vedli obrovské bitvy, aby se pokusili udělat totéž se zpětnovazebními systémy. U VAD může být buď pravá (nebo častěji) levá komora nezávisle podporována, čímž se tento problém odstraní.

Zařízení na podporu levé komory, neboli LVAD, způsobilo revoluci v péči o srdeční selhání v konečném stádiu. Nyní bylo celosvětově implantováno více než 15 000 LVAD a přibližně třetina pacientů s konečným stádiem srdečního selhání je nyní podporována na LVAD. Záměrem je obvykle přemostit pacienty k transplantaci, ale ve skutečnosti nedostatek dárcovských srdcí znamená, že pacienti mohou často zůstat na podpoře LVAD roky. Míra přežití přes 50 procent je pozorována po sedmi letech a existují zprávy o pacientech, kteří na těchto zařízeních žijí až 13 let. LVAD se proto staly standardně terapií samy o sobě. Technologie opět pokročila a novější LVAD fungují lépe. Průlomovou myšlenkou bylo přestat napodobovat srdce s jeho pulzující činností a přejít k neustálému proudění krve. Rotující lopatky (oběžná kola) tlačí krev kontinuálním pohybem a vytvářejí hladký nepřerušovaný proud. To má podivný vedlejší účinek vytvoření pacienta bez pulsu, což může být pro nic netušícího lékaře znepokojivé a může také způsobit některé nežádoucí vedlejší účinky, když se tělo přizpůsobuje novému proudu. Externí baterie jsou stále nepříjemností a zdrojem infekce, ale jsou vyvíjeny systémy, které přenášejí energii transkutánně (přes kůži) na základě indukce (jako domácí indukční sporáky). Jednotky LVAD by stále potřebovaly malou, implantovanou baterii pro případ dočasného selhání zařízení – a je známo, že externí bateriové sady mohou pacientům ukrást zloději kabelek!

Hledání zcela implantovatelného totálního umělého srdce pokračuje. Největší překážkou je pokus o vývoj externích transkutánních jednotek, které by plně pokryly požadavky srdce. Specifikace pro totální umělé srdce vyžadují, aby pumpovalo osm litrů krve za minutu při krevním tlaku 110 mmHg. Molekula pro ukládání biologické energie adenosintrifosfát [ATP] by bylo potřeba v množství větším než polovina vaší tělesné hmotnosti za den, aby to pohánělo vaše vlastní srdce, pokud by se ATP v buňkách neustále neobnovoval.) Kompresory byly miniaturizovány, aby byly lépe přenosné, ale bylo těžké je vyrobit zcela implantovatelné. Zde se zdá, že řešením může být technologie VAD, která se obejde bez kompresorů a místo nich použije zařízení s oběžným kolem, přičemž duální pravé a levé VAD spolupracují.

Řešení se zdají dráždivě blízko, ale nikdo nečeká snadnou jízdu. Mnoho selhání v průběhu let ve vědcích jistě vyvolalo pokoru a úctu k přirozenému inženýrství srdce.

Sian E Harding je emeritní profesorkou srdeční farmakologie na National Heart and Lung Institute na Imperial College London, kde vedla oddělení kardiovaskulárních věd a BHF Center for Cardiac Regeneration. Je autorkou knihy „The Exquisite Machine“, z níž je výňatek z tohoto článku.