Heart-Lung Machine

Yüzyıllar boyunca kalp, cerrahlar için yasak bir sınırdı; amansız ritmi vazgeçilmez ama dokunulmazdı. Herhangi bir kesinti anında ölüme yol açıyor, çoğu karmaşık kalp rahatsızlığını tedavi edilemez hale getiriyordu. Doktor John Heysham Gibbon Junior, bu acı gerçeğe bin dokuz yüz otuz yılında, genç bir hastanın akciğer atardamarındaki büyük bir kan pıhtısını çıkarmaya çalışılırken ameliyat masasında ölmesini izlerken tanık oldu. Bu derin an, onun hayatının işini ateşledi: cerrahlara insan yaşamının tam çekirdeğini onarmak için eşi benzeri görülmemiş bir erişim sağlayarak, kalbin ve akciğerlerin işlevlerini geçici olarak üstlenebilecek bir cihaz yaratmak. Doktor Gibbon, yıllar sonra, yirminci yüzyıl başı tıbbının derin sınırlamalarını hatırlayarak şöyle düşündü: "Kalbin kendisi, varlığımızın tam çekirdeği, aşılmaz bir gizemdi, sadece gözlemleyebildiğimiz, asla gerçekten onaramadığımız atan bir saatti. Doğrudan üzerinde ameliyat yapmak için zamana ihtiyaç vardı; vücudun basitçe sağlayamayacağı bir zamana."

Gibbon'ın icadından önce, kalp cerrahisi büyük ölçüde dış müdahalelerle veya kalbi doğrudan açmadan belirli doğuştan gelen kusurları düzeltmek gibi kapalı prosedürlerle sınırlıydı. Bir cerrah kalp odacıklarını açtığı anda kan akışı durur, oksijen yoksunluğu başlar ve geri dönüşü olmayan beyin hasarı veya ölüm hızla takip ederdi. Sadece birkaç dakikayla ölçülen zamana karşı bir yarış olan bu kritik zorluk, karmaşık kalp hastalıklarının tedavisindeki ilerlemelerin önündeki temel engeldi. Kalbi yavaşlatmaya veya damarları geçici olarak sıkıştırmaya yönelik ilk girişimler yetersiz kaldı ve tamamen yeni bir paradigmaya olan ihtiyacın altını çizdi. "Dar, steril bir ameliyathanede, bir ameliyat alanı üzerinde neşter tutan kıdemli cerrah Doktor Eleanor Vance, genç Gibbon'a döndü. "İnsan kalbi günde yüz bin kez atar, John," dedi, sesi alçak ve ciddiydi. "Onu durdurmak, bir an bile olsa, ölümü davet etmektir. Zaman kazanmamız gerekiyor, ama kalp ve akciğerler yapamazken kan ve oksijeni nasıl sağlayacağız?""

Gibbon'ın amansız arayışı temel sorularla başladı: Kan nasıl dolaşır? Nasıl oksijenlenir? İlk deneyleri hayvanlar üzerinde, venöz kanı yönlendirmeye, vücut dışında oksijenlendirmeye ve arteriyel dolaşıma geri döndürmeye çalışmayı içeriyordu. Temel sorun iki yönlüydü: kanın hassas bileşenlerine zarar vermeden verimli bir şekilde oksijenlendirmek ve onu vücutta güvenilir bir şekilde pompalamak. Dönen koniler veya kabarcıklar kullanan ilk tasarımlar, genellikle ciddi kan hücresi yıkımına veya tehlikeli hava embolilerine neden olarak ilerlemeyi sekteye uğrattı ve ekstrakorporeal dolaşım kavramının kendisini sorgulattı. İlk tasarımları hantal ve güvenilmezdi, bu da mekanik ve biyolojik karmaşıklığın büyüklüğünü vurguluyordu. "Bir karatahtadaki diyagramı inceleyen, hayal kırıklığına uğramış Doktor Gibbon, karmaşık bir tüp ve rezervuar şemasına işaret etti. "Aristoteles, 'Hayvanların Kısımları'nda bir zamanlar 'Doğa hiçbir şeyi boşuna yapmaz' diye gözlemlemişti. Biz doğayı taklit etmeye, onun en hayati işlevlerini dışarıdan gerçekleştirmeye çalışıyoruz, ancak ilkel cihazlarımız genellikle kanın kendisine faydadan çok zarar veriyor." Koyu saçları arkaya toplanmış, eşit derecede kararlı genç bir araştırmacı olan meslektaşı Doktor Mary Chen, bir bölüme işaret etti. "Arayüz, John, travmasız kan-gaz değişimi – işte Gordion düğümümüz olmaya devam eden bu.""

Pompalama ve oksijenasyonun temel mekaniklerinin ötesinde, Gibbon kritik biyolojik zorluklarla karşı karşıya kaldı. Kan, yabancı yüzeylere veya türbülanslı akışa maruz kaldığında hızlı değişikliklere uğrar. Kırmızı kan hücreleri travmatize olabilir, bu da hemolize (yırtılma) yol açabilirken, trombositler aktive olarak tehlikeli pıhtılaşmayı başlatabilir. Bu, herhangi bir yapay akciğer veya pompanın temas alanını en aza indirmesi, düzgün akış sağlaması ve inert malzemelerden yapılması gerektiği anlamına geliyordu. Antikoagülan seçimi de çok önemliydi; erken denemeler genellikle ya aşırı kanamaya ya da makine içinde veya hastada yaygın pıhtılaşmaya neden oluyordu. Bu biyolojik engeller, mühendislik engelleri kadar zorlu olduğunu kanıtladı ve disiplinlerarası uzmanlık gerektirdi. "Bir kan örneğini mikroskop altında incelerken, Doktor Gibbon'ın kaşları çatıldı. "Hasar mikroskobik ama felaketle sonuçlanıyor. Kanı yabancı bir arayüzden her geçirdiğimizde, bir anlamda onu yok ediyoruz. Tamamen nazik malzemeler ve tasarımlar bulmalıyız, yoksa bu çaba boşuna." Temiz bir bıyığı olan titiz bir laboratuvar teknisyenine döndü, cam tüpleri özenle temizliyordu. "Her yüzeyin cam gibi pürüzsüz olduğundan, tek bir kusur bile olmadığından emin olun. En ufak bir pürüz bile pıhtılaşma zincirini tetikleyebilir.""

Yirmi yıl süren amansız ve çoğu zaman büyük kişisel fedakarlıklarla dolu deneylerin ardından Gibbon, çok önemli bir atılım gerçekleştirdi. Kanı doğrudan havaya veya şiddetli ajitasyona maruz bırakan tasarımlardan uzaklaştı. Çözümü iki temel yenilik içeriyordu: hücreleri ezmeden kanı tüplerden nazikçe iten, vücudun doğal peristalsisini taklit eden makaralı pompa ve ince bir kan filmi oluşturarak oksijenle verimli gaz değişimine olanak tanıyan dikey bir ağ ekran yığını olan ekran oksijenatörü. Bu unsurlar, vücut sıcaklığını korumak için bir ısı eşanjörü ile birleştiğinde, yaşamı saatlerce sürdürebilen ilk gerçekten işlevsel kalp-akciğer makinesinin temelini oluşturdu. Karmaşık bir biyolojik soruna zarif bir mühendislik çözümüydü. "İşte bu," diye ilan etti Doktor Gibbon, nadir görülen bir gülümsemeyle, bir prototip makaralı pompanın kan benzeri sıvıyı şeffaf bir tüpten sorunsuz bir şekilde ittiğini izlerken. "Makaralı pompa, daha önceki hiçbir şeye benzemeyen bir şekilde, kanı minimum travmayla işliyor. Ve ekran oksijenatörü... laminar akışta yüzey alanını maksimize ederek verimli gaz değişimi sağlıyoruz. Sonunda kanla birlikte çalışıyoruz, ona karşı değil." Kırklı yaşlarında zeki bir kadın olan eşi ve araştırma asistanı Mary Gibbon, ekran dizisinin bir diyagramını tutarak başını salladı. "Dış dolaşım hayali artık sadece bir teori değil, John; somut bir gerçekliğe dönüşüyor."

Kalp-Akciğer Makinesinin çalışması kanülasyonla başlar: oksijensiz kanı kalpten uzaklaştırmak için büyük damarlara (genellikle vena kavalara) dikkatlice tüpler yerleştirilir. Bu 'venöz kan' daha sonra makineye yönlendirilir. Kan yönlendirildikten sonra, kalbin akciğerlere kan pompalama işlevi artık gerekli olmadığından, geçici olarak durdurulabilir veya üzerinde çalışılabilir. Makine etkili bir şekilde geçici bir dolaşım baypası oluşturarak cerrahi ekibin hareketsiz, kansız bir kalp üzerinde çalışmasına olanak tanır. Bu kritik ilk adım, cerraha karmaşık onarımlar için gereken değerli saatleri kazandırır ve kalp cerrahisinin kapsamını temelden dönüştürür. "Şimdi daha yaşlı ve bilge olan Doktor Vance, genç bir cerrah olan Doktor David Miller'ın ameliyat masasında bir hastanın damarına dikkatlice bir kanül yerleştirmesini dikkatle izliyordu; kalp-akciğer makinesi arka planda görünür, uğultulu bir varlıktı. "İlk ilke," diye nazikçe talimat verdi, "tam baypas oluşturmaktır. Kalbe dokunulmadan önce her damla venöz kanı yönlendirmeliyiz. Sisteme hava embolisi girmemesini ve büyük damarların zarar görmemesini sağlamak hassas bir denge dansıdır.""

Venöz kan makineye girdikten sonra birkaç hayati süreçten geçer. İlk olarak, akciğerlerin işlevini taklit ederek oksijen alıp karbondioksit saldığı bir oksijenatörden geçer. İlk oksijenatörler, oksijeni doğrudan kanın içinden kabarcıklar halinde geçiren "kabarcık oksijenatörler" veya Gibbon'ın elek tipi oksijenatörleriydi. Daha sonra, kan ve oksijenin gaz geçirgen bir zarla ayrıldığı "membran oksijenatörler" geliştirildi ve bu, kan travmasını büyük ölçüde azalttı. Oksijenasyondan sonra kan, mikroskobik kalıntıları gidermek için filtrelenir, bir ısı eşanjörü tarafından vücut sıcaklığına ısıtılır ve ardından, hassas bir şekilde kontrol edilen basınç altında, hem kalbi hem de akciğerleri tamamen atlayarak hastanın arteriyel sistemine geri döndürülür. Kalp-akciğer makinesini çalıştırma konusunda uzmanlaşmış bir tıbbi teknisyen olan perfüzyonist, sakin bir sesle bir kadranı dikkatlice ayarladı. "Oksijen seviyeleri stabil; membran en iyi şekilde çalışıyor. Oksijenli kanı otuz yedi santigrat derecede geri veriyoruz, fizyolojik parametreleri koruyoruz." Süreci dikkatle izleyen Doktor Gibbon'a döndü. "Vücut, kalp ve akciğerler hala devredeymiş gibi işlev görüyor; bu, bu ekstrakorporeal devreyi mükemmelleştirmek için harcanan onlarca yıllık çalışmanın bir kanıtıdır."

Yıllarca süren hayvan deneylerinden sonra, gerçeğin anı geldi. Bin dokuz yüz elli üç yılının Mayıs ayının altısında, Philadelphia'daki Thomas Jefferson Üniversitesi Hastanesi'nde, Doktor John Gibbon, atriyal septal defektten muzdarip on sekiz yaşındaki kadın hasta Cecilia Bavolek üzerinde Kalp-Akciğer Makinesi'ni kullanarak ilk başarılı açık kalp ameliyatını gerçekleştirdi. Yirmi altı dakika boyunca, Gibbon kalbindeki deliği onarırken, hastanın dolaşım sistemi tamamen makine tarafından desteklendi. Bu anıtsal başarı, modern kalp cerrahisinin şafağını işaret ederek, daha önce ölümcül veya tedavi edilemez durumları düzeltilebilir hale getirdi. Bir zamanlar bir hayal olan karmaşık bypass sistemi, artık hayat kurtaran bir gerçeklikti. Doktor Gibbon, daha sonraki bir röportajında bu önemli ameliyatı anlatırken, "Odada gerilim elle tutulur düzeydeydi, makinenin ritmik nabzıyla kesilen sessiz bir uğultu vardı," diye hatırladı. "Defekti başarılı bir şekilde kapattığımızda ve dolaşımını geri döndürdüğümüzde, kalp kendi başına atmaya başladığında, sanki imkansız bir engel aşılmış gibiydi. Şair Ralph Waldo Emerson'ın bir zamanlar yazdığı gibi, 'Arkamızda yatanlar ve önümüzde yatanlar, içimizde yatanlara kıyasla küçük meselelerdir.' O gün, Cecilia'nın içinde yatan iyileşmişti ve cerrahinin geleceği sonsuza dek değişmişti."

Gibbon'ın makinesinin başarısı, diğer araştırmacıları hızla kendi versiyonlarını geliştirmeye teşvik etti ve bu da tasarım ve teknikte hızlı iyileşmelere yol açtı. Minnesota Üniversitesi'nden Doktor C. Walton Lillehei ve Richard DeWall, daha basit, tek kullanımlık baloncuk oksijenatörlere öncülük ederek teknolojiyi daha erişilebilir hale getirdi. Kısa süre sonra, bir zamanlar nadir görülen açık kalp ameliyatları, artan sıklık ve karmaşıklıkla yapılmaya başlandı. Başlangıçtaki hantal aparat, membran oksijenatörler, geliştirilmiş filtreler ve gelişmiş izleme sistemlerini içeren daha kompakt, verimli ve güvenli cihazlara dönüştü. Bu dönem, modern kardiyak bakım ünitelerinin ve uzmanlaşmış cerrahi ekiplerin doğuşuna tanık oldu. Bin dokuz yüz altmışların sonlarında bir tıp konferansında konuşan, şimdi emekli olan Doktor Vance, çeşitli kalp-akciğer makinesi modellerinin yansıtılmış görüntülerini işaret ederek, "Cin şişeden çıkmıştı," diye belirtti. "Gibbon bunun mümkün olduğunu kanıtladığında, kapaklar açıldı. Dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar teknolojiyi geliştirerek daha güvenli, daha küçük ve daha erişilebilir hale getirdi. Baloncuk oksijenatörlerden membran sistemlere geçerek kan travmasını önemli ölçüde azalttık. Zorluk 'Yapabilir miyiz?' sorusundan 'Daha fazla insan için bunu nasıl daha iyi yapabiliriz?' sorusuna kaydı."

Bugün, genellikle kardiyopulmoner baypas (KPB) makinesi olarak anılan Kalp-Akciğer Makinesi, modern kalp cerrahisinde vazgeçilmez bir araçtır. Koroner arter baypas greftlemesinden kapak onarımı ve değişimine, hatta bebeklerdeki karmaşık doğuştan kalp kusuru düzeltmelerine kadar çok çeşitli hayat kurtarıcı prosedürleri kolaylaştırır. Cerrahinin ötesinde, Gibbon'ın çalışmalarından doğrudan türeyen ekstrakorporeal membran oksijenasyonu (ECMO) prensipleri, şiddetli akciğer ve kalp yetmezliği olan hastaları destekleyerek onları iyileşmeye veya nakle köprüler. Bir zamanlar imkansız görünen bu cihaz, sayısız kişiye ikinci bir yaşam şansı vermiş ve kardiyovasküler tıbbın seyrini temelden değiştirmiştir. "Bu makine her gün mucizeler gerçekleştirmemizi sağlıyor," diye düşündü çağdaş bir kalp cerrahı olan Doktor Anya Sharma, bir ameliyata titizlikle hazırlanırken. "Minik kalplerdeki en hassas onarımlardan karmaşık çok damarlı baypaslara kadar, bunların hiçbiri Doktor Gibbon'ın azmi olmasaydı mümkün olmazdı. Bu, insan zekasının bir kanıtı, bir zamanlar sadece umutsuzluğun olduğu yerde umut sunan mekanik bir kalp ve akciğer." Yanındaki gelişmiş KPB makinesine baktı. "Bu sadece bir makine değil; bu, hayata giden bir köprü."