Artificial Heart

На протяжении веков больное сердце означало быстрый и часто мучительный конец. К середине двадцатого века передовые хирургические методы могли исправить некоторые проблемы с сердцем, но для тех, у кого была необратимая, терминальная стадия сердечной недостаточности, прогноз оставался мрачным. Спрос на донорские сердца намного превышал предложение, оставляя бесчисленное количество пациентов без надежды. Медицинское сообщество столкнулось с непреодолимой проблемой: как заменить самый жизненно важный орган в человеческом теле? «Человеческое сердце — это инженерное чудо», — размышлял доктор Виллем Колфф, пионер в области исследований искусственных органов, обращаясь к своему коллеге, доктору Клиффорду Кван-Гетту, в своей лаборатории. «Его замысловатый танец камер, клапанов и мышц — тонкий баланс гидродинамики и биологии — невероятно сложен. Мы не просто пытаемся перекачивать кровь; мы пытаемся имитировать саму жизнь». Доктор Кван-Гетт серьёзно кивнул, осматривая прототип насоса для крови. «И материалы, Виллем. Как нам создать поверхности, которые кровь не будет отторгать, которые не вызовут катастрофических сгустков или инфекций? Это основная проблема».

До появления трансплантации сердца и технологий искусственного сердца пациенты с тяжелой сердечной недостаточностью сталкивались с неуклонно ухудшающимся качеством жизни. Их сердца, ослабленные и увеличенные, с трудом перекачивали достаточное количество насыщенной кислородом крови к телу, что приводило к хронической усталости, одышке и отекам. Жизнь превращалась в ежедневную борьбу за каждый вдох, медленное приковывание к постели, поскольку жизненно важные органы начинали страдать от недостаточного кровотока. Долгосрочных решений не было, только управление симптомами. «Каждый день кажется, что я бегу марафон, даже просто дойдя до окна», — заметил пациент с видимой задержкой жидкости своему обеспокоенному врачу в стерильной больничной палате, его голос был напряжен. Врач, женщина лет сорока с небольшим, с добрым, но мрачным выражением лица, положила руку ему на руку. «Ваше сердце работает так усердно, мистер Дэвис. Мы делаем все возможное с помощью лекарств, но... мы достигли пределов того, чего могут достичь традиционные методы лечения. Нам нужно что-то большее, что-то революционное, чтобы по-настоящему вернуть вам вашу жизнь». Пациент вздохнул, закрыв глаза, тяжесть его состояния была очевидна. «Я просто хочу снова дышать легко».

Медицинские достижения начала и середины двадцатого века, от антибиотиков до операций на открытом сердце, преобразили многие области здравоохранения. Однако, когда собственная сердечная мышца пациента была необратимо разрушена, наука заходила в тупик. Трансплантация сердца, будучи революционной, была сильно ограничена дефицитом подходящих донорских органов и огромной проблемой предотвращения иммунного отторжения. Механический заменитель, «искусственное сердце», стал недостижимой мечтой, единственным мыслимым ответом для тысяч людей. Сложность создания устройства, одновременно функционального и биосовместимого, оставалась сложной научной задачей. «Потребность в донорских сердцах — это постоянное, сокрушительное бремя», — доверительно сообщил доктор Майкл Дебейки, известный кардиохирург, группе коллег во время напряженной медицинской конференции в конце тысяча девятьсот шестидесятых годов. «На каждого пациента, которому могла бы помочь трансплантация, приходится еще сотня в списке ожидания, их время истекает. У нас просто недостаточно жизнеспособных органов». Другой хирург, доктор Эдриан Кантровиц, добавил: «И даже когда мы находим подходящий вариант, пожизненная борьба с иммуносупрессией, риск отторжения... это временная отсрочка, а не излечение. Мы должны найти альтернативу. Как однажды заметил великий римский философ Сенека: «Не потому, что вещи трудны, мы не смеем; а потому, что мы не смеем, они трудны». Мы должны осмелиться создать механическое сердце, несмотря на трудности биосовместимости».

Концепция искусственного сердца родилась не в один момент озарения, а развивалась на протяжении десятилетий неустанных экспериментов. Голландский врач Виллем Колфф, уже известный изобретением искусственной почки во время Второй мировой войны, в тысяча девятьсот пятидесятых годах обратил свой выдающийся ум к сердцу. Он верил, что если он сможет механически заменить функцию почки, то и сердце тоже можно будет воспроизвести. Его ранняя работа была элементарной, часто включала простые, приводимые в действие воздухом насосы и примитивные материалы, закладывая основу для будущих прорывов. «Наши первоначальные попытки были грубыми, да, но необходимыми для понимания задействованных сил», — объяснил доктор Колфф молодому научному сотруднику в своей оживленной лаборатории, жестикулируя в сторону громоздкой, прозрачной пластиковой камеры. «Мы извлекли бесценные уроки о давлении, объеме, чистой механике кровообращения. Этот базовый насос, например, использует сжатый воздух для давления на гибкую мембрану, имитируя сокращение желудочка». Ассистентка, проницательная женщина с завязанными волосами, яростно записывала. «Значит, воздух, по сути, выдавливает кровь?» — спросила она. «Именно так», — подтвердил Колфф, — «но задача не только в перекачивании; это нужно делать, не повреждая нежные клетки крови».

Путь к функциональному искусственному сердцу был полон инженерных и биологических препятствий. Помимо простого создания насоса, изобретателям приходилось бороться с враждебной реакцией человеческого тела на инородные материалы. Клетки крови сворачивались при контакте с большинством пластмасс и металлов, что приводило к опасным закупоркам. Материалы также должны были быть достаточно прочными, чтобы выдерживать миллионы циклов перекачивания без разрушения, но при этом достаточно гибкими, чтобы имитировать естественное действие сердца. Решения требовали инноваций как в материаловедении, так и в биомеханической инженерии. «Проблема не только в том, чтобы заставить его качать, а в том, чтобы заставить его жить внутри тела», — подчеркнул доктор Дон Олсен, биоинженер, сотрудничающий с доктором Колффом, команде материаловедов в чистой комнате, держа в руках небольшой гладкий образец медицинского пластика. «Нам нужна поверхность, которая полностью инертна, которую тело принимает как свою собственную. Каждая шероховатость, каждая химическая примесь может вызвать катастрофический иммунный ответ или образование тромба». Ученый-материаловед, мужчина с густой бородой и защитными очками, ответил: «Мы протестировали бесчисленное количество полимеров — силиконы, полиуретаны. Идеальное сочетание гибкости, долговечности и биосовместимости остается неуловимым, но мы приближаемся. Мы экспериментируем с новыми поверхностными покрытиями, которые могут обмануть кровь, заставив ее думать, что она все еще находится в естественном сосуде».

Десятилетия концептуальной работы завершились созданием Jarvik-7, разработанного Робертом Джарвиком в Университете Юты во время работы под руководством Виллема Колффа. Основываясь на более ранних разработках, Jarvik-7 представлял собой бивентрикулярный пульсирующий насос, предназначенный для замены обеих нижних камер человеческого сердца. Его инновация заключалась в упрощенной конструкции, использующей давление воздуха для приведения в действие гибких диафрагм, и в выборе материалов — комбинации гладкого полиуретана и особого типа ткани, которая позволяла тканям врастать, пытаясь смягчить проблему свертывания крови. «Ключевым моментом стало упрощение механизма перекачки», — объяснил доктор Роберт Джарвик, целеустремленный молодой инженер в очках с темными волосами, группе хирургов, указывая на подробную схему Jarvik-7. «Каждый желудочек использует диафрагму, приводимую в действие воздухом, которая выталкивает кровь, а затем втягивается, чтобы втянуть ее. Это имитирует естественный пульсирующий кровоток сердца. Настоящая задача заключалась в усовершенствовании материалов для достижения долговечности, не провоцируя защитные силы организма». Хирург, осматривая прозрачную пластиковую модель, спросил: «И воздух подается извне?» «Именно», — подтвердил Джарвик, — «через трубки, подключенные к большой внешней консоли. Это не идеально, но это необходимый компромисс для ранней долгосрочной поддержки».

Jarvik-7 функционировал как полностью искусственное сердце, предназначенное для выполнения всех насосных функций. Он состоял из двух основных компонентов: одного для левого желудочка и одного для правого. Каждый компонент содержал гибкую полиуретановую диафрагму, отделяющую кровяную камеру от воздушной. Внешнее давление воздуха, контролируемое большой консолью, циклически подавалось в воздушные камеры. Это давление заставляло диафрагмы двигаться внутрь, выталкивая кровь из сердца в артериальную систему. Когда давление сбрасывалось, диафрагмы возвращались в исходное положение, позволяя крови течь обратно в устройство из венозной системы организма, воспроизводя естественный цикл накачки сердца. «Наблюдайте за точной механикой», — проинструктировал ведущий биомедицинский инженер нового техника, когда они стояли перед демонстрационным образцом работающего Jarvik-7. Устройство, погруженное в прозрачный резервуар с имитированной кровью, заметно пульсировало. «Сжатый воздух, подаваемый консолью, поступает в этот вход, толкая диафрагму внутрь. Это действие, синхронизированное с противоположным желудочком, выталкивает кровь в аорту и легочную артерию». Техник, молодая женщина с аккуратным хвостом, внимательно наблюдала. «А затем воздух выпускается?» «Именно так, — подтвердил инженер. — Диафрагма расслабляется, и впускные клапаны открываются, втягивая кровь обратно. Этот ритм, примерно семьдесят ударов в минуту, поддерживает кровообращение. Мы постоянно отслеживаем давление и скорость потока, чтобы обеспечить оптимальную производительность».

Второго декабря тысяча девятьсот восемьдесят второго года, в ходе монументального медицинского события, доктор Уильям ДеВриз имплантировал искусственное сердце «Джарвик-семь» Барни Кларку, шестидесятиоднолетнему стоматологу на пенсии, в Медицинском центре Университета Юты. Кларку, страдавшему от тяжелой кардиомиопатии, оставалось жить считанные дни. Операция, длившаяся семь часов, была технически успешной, ознаменовав первый случай поддержания человеческой жизни постоянным искусственным сердцем. Однако победа была недолгой, поскольку возникли серьезные проблемы, в частности, тяжелые тромбы и инфекции, приведшие к серии инсультов и отказов органов. Кларк прожил сто двенадцать дней, что стало свидетельством человеческой стойкости и потенциала устройства, а также суровым напоминанием об огромных биологических препятствиях. Этот глубокий опыт научил медицинское сообщество тому, что просто перекачивать кровь недостаточно; взаимодействие между машиной и биологией было первостепенным. «Сама операция прошла безупречно, это триумф инженерного и хирургического мастерства», — рассказывал доктор Уильям ДеВриз, ведущий хирург, собравшейся после операции мрачной медицинской команде, его лицо было измождено усталостью. «Сердце Барни Кларка отказывало, но теперь «Джарвик-семь» качает кровь. Однако, как мы обсуждали в начале нашего исследования, реакция организма на инородные материалы остается нашим величайшим противником. Мы видим ранние признаки тромбоэмболии, несмотря на агрессивную антикоагуляцию. Тонкий баланс биологии и механизма, о котором говорили Колфф и Кван-Гетт, эта задача сделать поверхности совместимыми с кровью, оказывается невероятно сложной». Другой хирург добавил: «Действительно, осложнения очевидны. Как сказал Гиппократ, отец медицины: «Жизнь коротка, путь искусства долог, удобный случай скоропреходящ, опыт обманчив, суждение трудно». Мы воспользовались возможностью, но опасный эксперимент продолжает преподавать нам суровые уроки о сложных защитных механизмах организма».

Jarvik-7, будучи новаторским изобретением, в конечном итоге столкнулся с ограничениями из-за высокой частоты осложнений. Однако его наследие стимулировало интенсивные исследования. Акцент сместился с полных искусственных сердец на вспомогательные желудочковые устройства (ВЖУ) — меньшие насосы, которые помогают ослабевшему сердцу, а не полностью заменяют его. Эти устройства, сначала для временной поддержки, а затем для длительного использования, позволяли пациентам жить годами в ожидании трансплантации или даже в качестве постоянной «конечной терапии». Технологические достижения в материалах, миниатюризация и конструкции с непрерывным потоком значительно улучшили результаты, предлагая беспрецедентную мобильность и качество жизни. «Эволюция от полной замены к вспомогательным устройствам стала поворотным моментом, — объяснила доктор Эмили Чжао, ведущий кардиохирург, своему ординатору в современной клинике. — ВЖУ меняют правила игры. Вместо того чтобы заменять все сердце, мы усиливаем его функцию. Посмотрите на рентген этого пациента, — она указала на цифровое изображение на экране, показывающее небольшое имплантированное устройство. — HeartMate II, насос с непрерывным потоком, значительно улучшает качество жизни. Пациенты могут покинуть больницу, вернуться домой и жить годами. Миниатюризация, улучшенная биосовместимость материалов — это поразительно по сравнению с ранними конструкциями Jarvik-7». Ординатор, молодой человек с сосредоточенным выражением лица, кивнул. «Значит, менее инвазивно, меньше риска?» Доктор Чжао подтвердила: «Именно так, и гораздо лучшее качество жизни. Эти устройства дают пациентам бесценное время».

Путь искусственного сердца, от ранних экспериментальных прототипов до сложных имплантируемых устройств, отражает неустанное стремление человечества к преодолению болезней. Хотя проблемы остаются, включая потребность в еще более долговечных и идеально биосовместимых материалах, а также в полностью имплантируемых системах без внешних соединений, искусственное сердце и его потомки, вспомогательные устройства желудочков, преобразили ландшафт кардиологической помощи. Миллионы жизней были продлены, а качество жизни значительно улучшилось. Первоначальное смелое видение Виллема Колффа и его преемников продолжает биться сильно, обещая будущее, в котором больное сердце больше не означает неизбежный конец. «Мы прошли такой долгий путь, но путь впереди все еще захватывающий», — с энтузиазмом заявил ведущий биомедицинский инженер, доктор Алекс Чен, во время университетской лекции, показывая слайд с концепцией полностью имплантируемого беспроводного искусственного сердца. «Представьте себе будущее, где больное сердце можно будет заменить бесшовно, без громоздкого внешнего оборудования. Мы работаем над автономными устройствами, передовыми биопокрытиями, предотвращающими любое свертывание крови, и даже над регенеративной медициной для потенциального восстановления сердечной ткани. Человеческий дух, в своей изобретательности, продолжает раздвигать границы». Студент поднял руку. «Значит, цель — сердце, неотличимое от естественного?» Доктор Чен улыбнулся. «Это, или даже лучше. Мы стремимся не просто имитировать, но по-настоящему продлевать и улучшать жизнь. Искусственное сердце — это больше, чем машина; это свидетельство настойчивости и инноваций».