Artificial Heart

Yüzyıllar boyunca, iflas eden bir kalp, hızlı ve çoğu zaman acı verici bir son anlamına geliyordu. Yirminci yüzyılın ortalarına gelindiğinde, gelişmiş cerrahi teknikler bazı kalp sorunlarını onarabiliyordu, ancak geri dönüşü olmayan, son evre kalp hastalığı olanlar için prognoz kasvetli kalmaya devam ediyordu. Donör kalplere olan talep, arzı fersah fersah geride bırakarak sayısız hastayı umutsuz bırakıyordu. Tıp camiası aşılmaz bir zorlukla karşı karşıyaydı: insan vücudundaki en hayati organı nasıl değiştirebilirlerdi? Öncü yapay organ araştırmacısı Dr. Willem Kolff, laboratuvarında meslektaşı Dr. Clifford Kwan-Gett'e, "İnsan kalbi bir mühendislik harikasıdır," diye düşündü. "Odacıklarının, kapakçıklarının ve kaslarının karmaşık dansı - sıvı dinamiği ve biyolojinin hassas dengesi - inanılmaz derecede karmaşıktır. Biz sadece kan pompalamaya çalışmıyoruz; yaşamın kendisini taklit etmeye çalışıyoruz." Dr. Kwan-Gett, prototip bir kan pompasını incelerken ciddi bir şekilde başını salladı. "Ve malzemeler, Willem. Kanın reddetmeyeceği, felaketle sonuçlanan pıhtılara veya enfeksiyonlara neden olmayacak yüzeyleri nasıl yaratacağız? İşte asıl sorun bu."

Kalp nakli ve yapay kalp teknolojisi ortaya çıkmadan önce, şiddetli kalp yetmezliği olan hastalar, yaşam kalitelerinde amansız bir düşüşle karşı karşıyaydı. Zayıflamış ve büyümüş kalpleri, vücuda yeterince oksijenli kan pompalamakta zorlanıyor, bu da kronik yorgunluğa, nefes darlığına ve şişliğe yol açıyordu. Hayat, nefes almak için günlük bir mücadele haline gelmiş, hayati organlar yetersiz kan akışından muzdarip olmaya başladıkça yatağa yavaş bir hapsolma yaşanıyordu. Uzun vadeli çözümler yoktu, sadece semptomları yönetmek vardı. "Her gün bir maraton koşuyormuşum gibi hissediyorum, sadece pencereye yürürken bile," diye gergin bir sesle, gözle görülür sıvı tutulumu olan bir hasta, steril bir hastane odasında endişeli doktoruna söyledi. Kırklı yaşlarının sonlarında, nazik ama ciddi bir ifadeye sahip olan kadın doktor, elini hastanın koluna koydu. "Kalbiniz çok çalışıyor, Bay Davies. İlaçlarla elimizden gelen her şeyi yapıyoruz, ama... geleneksel tedavilerin başarabileceği sınırları aştık. Size hayatınızı gerçekten geri verecek daha fazlasına, devrim niteliğinde bir şeye ihtiyacımız var." Hasta içini çekti, gözlerini kapattı, durumunun ağırlığı ortadaydı. "Sadece tekrar rahatça nefes almak istiyorum."

Yirminci yüzyılın başlarından ortalarına kadar, antibiyotiklerden açık kalp ameliyatına kadar tıp alanındaki gelişmeler, sağlık hizmetlerinin birçok alanını dönüştürdü. Ancak, bir hastanın kendi kalp kası temelden tahrip olduğunda, bilim bir duvara çarptı. Kalp nakli, devrim niteliğinde olsa da, uygun donör organların kıtlığı ve bağışıklık reddini önlemenin zorlu mücadelesi nedeniyle ciddi şekilde sınırlıydı. Mekanik bir ikame, yani 'yapay kalp', binlerce kişi için tek akla yatkın cevap, ulaşılması zor bir hayal haline geldi. Hem işlevsel hem de biyouyumlu bir cihaz yapmanın karmaşıklığı, zorlu bir bilimsel sınır olmaya devam etti. "Donör kalplere olan talep sürekli, ezici bir yüktür," diye itiraf etti tanınmış kalp cerrahı Doktor Michael DeBakey, bin dokuz yüz altmışların sonlarında gergin bir tıp konferansı sırasında bir grup meslektaşına. "Nakilden faydalanabilecek her hasta için, bekleme listesinde yüzlerce daha fazlası var, zamanları tükeniyor. Yeterli canlı organımız yok." Başka bir cerrah, Doktor Adrian Kantrowitz, ekledi: "Ve bir eşleşme bulduğumuzda bile, bağışıklık baskılamayla ömür boyu süren mücadele, reddedilme riski... bu geçici bir erteleme, bir tedavi değil. Bir alternatif bulmalıyız. Büyük Roma filozofu Seneca'nın bir zamanlar gözlemlediği gibi, 'Cesaret edemediğimiz için işler zor değildir; işler zor olduğu için cesaret edemeyiz.' Biyouyumluluk zorluklarına rağmen mekanik bir kalp yaratmaya cesaret etmeliyiz."

Yapay kalp kavramı tek bir "eureka" anında doğmadı, onlarca yıllık amansız deneylerle gelişti. İkinci Dünya Savaşı sırasında yapay böbreği icat etmesiyle zaten ünlü olan Hollandalı hekim Willem Kolff, bin dokuz yüz ellili yıllarda üretken zihnini kalbe çevirdi. Böbrek fonksiyonunu mekanik olarak değiştirebilirse, kalbin de taklit edilebileceğine inanıyordu. İlk çalışmaları ilkeldi, genellikle basit, hava tahrikli pompalar ve temel malzemeler içeriyordu ve gelecekteki atılımların temelini atıyordu. "İlk denemelerimiz kabaydı, evet, ancak ilgili kuvvetleri anlamak için gerekliydi," diye açıkladı Doktor Kolff, hareketli laboratuvarında genç bir araştırma asistanına, hantal, şeffaf bir plastik odayı işaret ederek. "Basınç, hacim, kan dolaşımının saf mekaniği hakkında paha biçilmez dersler öğrendik. Örneğin, bu temel pompa, bir ventrikülün kasılmasını taklit ederek esnek bir membrana baskı yapmak için sıkıştırılmış hava kullanır." Saçları arkadan bağlı, hevesli bir kadın olan asistan, hararetle notlar aldı. "Yani, hava esasen kanı dışarı mı sıkıyor?" diye sordu. "Kesinlikle," diye onayladı Kolff, "ama zorluk sadece pompalamak değil; bunu hassas kan hücrelerine zarar vermeden yapmak."

İşlevsel bir yapay kalbe giden yol, mühendislik ve biyolojik engellerle doluydu. Mucitler, sadece bir pompa yaratmanın ötesinde, insan vücudunun yabancı maddelere karşı düşmanca tepkisiyle mücadele etmek zorundaydı. Kan hücreleri çoğu plastik ve metalle temas ettiğinde pıhtılaşarak tehlikeli tıkanıklıklara yol açıyordu. Malzemelerin ayrıca milyonlarca pompalama döngüsüne bozulmadan dayanacak kadar dayanıklı, ancak doğal kalp hareketini taklit edecek kadar esnek olması gerekiyordu. Çözümler hem malzeme bilimi hem de biyomekanik mühendisliğinde yenilik gerektiriyordu. "Sorun sadece pompalama değil, bir vücudun içinde yaşamasını sağlamak," diye vurguladı Dr. Kolff ile işbirliği yapan biyomühendis Dr. Don Olsen, temiz bir odada bir grup malzeme bilimcisine, elinde küçük, pürüzsüz bir tıbbi sınıf plastik örneği tutarak. "Tamamen inert, vücudun kendi gibi kabul edeceği bir yüzeye ihtiyacımız var. Her pürüzlü kenar, her kimyasal safsızlık, felaketle sonuçlanabilecek bir bağışıklık tepkisini veya kan pıhtısı oluşumunu tetikleyebilir." Kalın sakallı ve güvenlik gözlüklü bir malzeme bilimcisi, "Sayısız polimeri test ettik; silikonlar, poliüretanlar. Esneklik, dayanıklılık ve biyouyumluluğun ideal kombinasyonu hala zor bulunuyor, ancak yaklaşıyoruz. Kanı hala doğal bir damarda olduğunu düşündürebilecek yeni yüzey kaplamaları üzerinde deneyler yapıyoruz," diye yanıtladı.

Onlarca yıllık kavramsal çalışma, Willem Kolff'un yanında çalışırken Utah Üniversitesi'nde Robert Jarvik tarafından tasarlanan Jarvik-7 ile sonuçlandı. Önceki tasarımlara dayanan Jarvik-7, insan kalbinin her iki alt odacığını değiştirmek için tasarlanmış çift ventriküllü atımlı bir pompaydı. Yeniliği, esnek diyaframları çalıştırmak için hava basıncını kullanan basitleştirilmiş tasarımında ve malzeme seçiminde yatıyordu; pıhtılaşma sorununu azaltmaya çalışan, düz poliüretan ve doku büyümesine izin veren belirli bir kumaş türünün birleşimi. Gözlüklü ve koyu saçlı kararlı genç bir mühendis olan Doktor Robert Jarvik, Jarvik-7'nin ayrıntılı bir diyagramını işaret ederek bir grup cerraha, "Kritik içgörü, pompalama mekanizmasını basitleştirmekti," diye açıkladı. "Her ventrikül, kanı dışarı iten, sonra içeri çekmek için geri çekilen hava tahrikli bir diyafram kullanır. Kalbin doğal atımlı akışını taklit eder. Asıl zorluk, vücudun savunmasını provoke etmeden dayanıklılık elde etmek için malzemeleri iyileştirmekti." Şeffaf bir plastik modeli inceleyen bir cerrah, "Ve hava dışarıdan mı sağlanıyor?" diye sordu. Jarvik, "Kesinlikle," diye onayladı, "büyük bir harici konsola bağlı tüpler aracılığıyla. İdeal değil, ancak erken uzun süreli destek için gerekli bir uzlaşma."

Jarvik-7, pompalama sorumluluğunu tamamen üstlenmek üzere tasarlanmış, total yapay bir kalp olarak işlev görüyordu. Biri sol ventrikül, diğeri sağ ventrikül için olmak üzere iki ana bileşenden oluşuyordu. Her bir bileşen, kan odasını bir hava odasından ayıran esnek bir poliüretan diyaframa sahipti. Büyük bir konsol tarafından kontrol edilen harici hava basıncı, döngüsel olarak hava odalarına iletiliyordu. Bu basınç, diyaframları içeri doğru iterek kanı kalpten atardamar sistemine atıyordu. Basınç serbest bırakıldığında, diyaframlar geri çekiliyor ve kanın vücudun toplardamar sisteminden cihaza geri akmasını sağlayarak kalbin doğal pompalama döngüsünü taklit ediyordu. "Hassas mekaniği gözlemleyin," diye talimat verdi baş biyomedikal mühendis, yeni bir teknisyene, çalışan bir Jarvik-7 gösteri ünitesinin önünde dururlarken. Simüle edilmiş kanla dolu şeffaf bir tanka batırılmış ünite, gözle görülür şekilde atıyordu. "Konsoldan sağlanan basınçlı hava, bu girişe girerek diyaframı içeri doğru iter. Bu hareket, karşı ventrikülle senkronize olarak kanı aort ve pulmoner artere zorlar." Düzgün at kuyruklu genç bir kadın olan teknisyen, dikkatle izledi. "Ve sonra hava boşaltılıyor mu?" "Kesinlikle," diye onayladı mühendis. "Diyafram gevşer ve giriş valfleri açılır, kanı tekrar içeri çeker. Dakikada yaklaşık yetmiş atış olan bu ritim, dolaşımı sürdürür. Optimum performansı sağlamak için basıncı ve akış hızlarını sürekli olarak izliyoruz."

İki Aralık bin dokuz yüz seksen iki'de, anıtsal bir tıbbi olayda, Doktor William DeVries, Utah Üniversitesi Tıp Merkezi'nde, altmış bir yaşındaki emekli dişçi Barney Clark'a Jarvik-Yedi'yi nakletti. Şiddetli kardiyomiyopatiden muzdarip olan Clark'a sadece birkaç günlük ömür biçilmişti. Yedi saat süren ameliyat, teknik bir başarıydı ve bir insan hayatının kalıcı bir yapay kalp tarafından sürdürülmesinin ilk örneği oldu. Ancak, zafer kısa sürdü, zira ciddi kan pıhtıları ve enfeksiyonlar gibi kritik zorluklar ortaya çıktı ve bir dizi felç ve organ yetmezliğine yol açtı. Clark yüz on iki gün hayatta kaldı; bu, insan dayanıklılığının ve cihazın potansiyelinin bir kanıtıydı, ancak aynı zamanda muazzam biyolojik engellerin de acı bir hatırlatıcısıydı. Bu derin deneyim, tıp camiasına sadece kan pompalamanın yetersiz olduğunu öğretti; makine ile biyoloji arasındaki arayüzün çok önemli olduğu anlaşıldı. "Ameliyatın kendisi kusursuzdu, mühendislik ve cerrahi becerinin bir zaferiydi," diye anlattı baş cerrah Doktor William DeVries, ameliyat sonrası toplanmış, yüzüne yorgunluk sinmiş, düşünceli bir tıbbi ekibe. "Barney Clark'ın kalbi iflas ediyordu, ama şimdi Jarvik-Yedi pompalıyor. Ancak, araştırmamızın başlarında tartıştığımız gibi, vücudun yabancı maddelere tepkisi en büyük düşmanımız olmaya devam ediyor. Agresif antikoagülasyona rağmen, tromboembolizmin erken belirtilerini görüyoruz. Kolff ve Kwan-Gett'in bahsettiği biyoloji ve mekanizma arasındaki hassas denge, yüzeyleri kanla uyumlu hale getirme zorluğu, inanılmaz derecede zorlayıcı olduğunu kanıtlıyor." Başka bir cerrah ekledi: "Gerçekten de, komplikasyonlar çok açık. Tıbbın babası Hipokrat'ın dediği gibi, 'Sanat uzundur, hayat kısadır, fırsat geçicidir, deney tehlikelidir, yargı zordur.' Fırsatı yakaladık, ancak tehlikeli deney, vücudun karmaşık savunmaları hakkında bize zor dersler vermeye devam ediyor."

Jarvik-7, çığır açıcı olmasına rağmen, yüksek komplikasyon oranları nedeniyle sonunda kısıtlamalarla karşılaştı. Ancak, mirası yoğun araştırmaları teşvik etti. Odak noktası, tamamen yapay kalplerden, kalbi tamamen değiştirmek yerine ona yardımcı olan daha küçük pompalar olan Ventriküler Destek Cihazlarına (VAD'lar) kaydı. İlk olarak geçici destek için, ardından uzun süreli kullanım için tasarlanan bu cihazlar, hastaların nakil beklerken veya hatta kalıcı bir "hedef tedavi" olarak yıllarca yaşamasına olanak sağladı. Malzemelerdeki, minyatürleşmedeki ve sürekli akış tasarımlarındaki teknolojik gelişmeler, sonuçları önemli ölçüde iyileştirerek eşi benzeri görülmemiş bir hareketlilik ve yaşam kalitesi sundu. "Toplam değişimden destekleyici cihazlara geçiş çok önemli bir andı," diye açıkladı önde gelen kalp cerrahlarından Doktor Emily Zhao, modern bir klinikte asistanına. "VAD'lar oyunun kurallarını değiştirdi. Kalbin tamamını değiştirmek yerine, işlevini artırıyoruz. Bu hastanın röntgenine bakın," diyerek ekranda küçük, implante edilmiş bir cihazı gösteren dijital bir görüntüye işaret etti. "Sürekli akışlı bir pompa olan HeartMate İki, yaşam kalitesini önemli ölçüde artırıyor. Hastalar hastaneden çıkıp evlerine dönebilir ve yıllarca yaşayabilirler. Minyatürleşme, malzemelerin iyileştirilmiş biyouyumluluğu; erken Jarvik-Yedi tasarımlarına kıyasla şaşırtıcı." Odaklanmış bir ifadeye sahip genç bir adam olan asistan başını salladı. "Yani, daha az invaziv, daha az risk mi?" Doktor Zhao onayladı, "Kesinlikle, ve çok daha iyi bir yaşam kalitesi. Bu cihazlar hastalara paha biçilmez bir zaman kazandırıyor."

Yapay kalbin, ilk deneysel prototiplerden sofistike, implante edilebilir cihazlara uzanan yolculuğu, insanlığın hastalığı yenme konusundaki amansız arayışını yansıtır. Daha dayanıklı ve mükemmel derecede biyouyumlu malzemelere olan ihtiyaç ve harici bağlantılar olmadan tamamen implante edilebilir sistemler de dahil olmak üzere zorluklar devam etse de, yapay kalp ve onun soyundan gelen VAD'ler, kalp bakımı manzarasını dönüştürmüştür. Milyonlarca hayat uzatılmış ve yaşam kalitesi önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Willem Kolff ve haleflerinin başlangıçtaki cesur vizyonu, kalbin iflas etmesinin artık kaçınılmaz bir son anlamına gelmediği bir gelecek vaat ederek güçlü bir şekilde atmaya devam ediyor. Önde gelen bir biyomedikal mühendisi olan Doktor Alex Chen, bir üniversite dersinde, tamamen implante edilebilir, kablosuz bir yapay kalp konseptini gösteren bir slaytla, "Çok yol kat ettik, ancak önümüzdeki yol hala heyecan verici," diye coşkuyla belirtti. "Büyük harici ekipman olmadan, iflas eden bir kalbin sorunsuz bir şekilde değiştirilebildiği bir gelecek hayal edin. Kendi kendine güç sağlayan üniteler, herhangi bir pıhtılaşmayı önleyen gelişmiş biyolojik kaplamalar ve hatta potansiyel olarak kalp dokusunu yeniden büyütmek için rejeneratif tıp üzerinde çalışıyoruz. İnsan ruhu, yaratıcılığıyla sınırları zorlamaya devam ediyor." Bir öğrenci elini kaldırdı. "Yani amaç, doğal bir kalpten ayırt edilemeyen bir kalp mi?" Doktor Chen gülümsedi. "Bu, hatta daha iyisi. Sadece taklit etmek değil, hayatı gerçekten uzatmak ve geliştirmek istiyoruz. Yapay kalp bir makineden daha fazlasıdır; azim ve yeniliğin bir kanıtıdır."