Sztuczne serce made in Poland

Choroby układu krwionośnego stanowią jeden z najważniejszych problemów zdrowotnych społeczeństwa. Śmiertelność, która jest wynikiem niewydolności serca, znacznie przewyższa tę spowodowaną rakiem czy wypadkami komunikacyjnymi. Przełom w leczeniu skrajnych kardiomiopatii nastąpił wraz z pierwszą udaną transplantacją serca, wykonaną przez zespół Christiaana Barnarda w 1967 r. Przez 45 lat dokonano na świecie ponad 92 000 transplantacji. Nieoceniony wkład w rozwój kardiochirurgii miał również prof. Zbigniew Religa, który w listopadzie 1985 r. przeprowadził pionierską, udaną operację przeszczepu serca w Zabrzu.

Postęp w medycynie sprawił, że przeżywalność pacjentów w rok po transplantacji serca przekracza 80 proc. Mimo to poważnym ograniczeniem jest liczba dawców. Szacunkowe dane wskazują, że zaledwie 20 proc. pacjentów, dla których jedynym ratunkiem przeżycia jest przeszczep serca, ma szansę go doczekać. Stąd potrzeba rozwijania innych technologii, które będą w stanie zastąpić ludzki organ.

Mechaniczne wspomaganie serca jest sprawdzoną i coraz powszechniej stosowaną metodą leczenia pacjentów ze skrajnym uszkodzeniem tego organu. Podstawowym jej zadaniem jest zastąpienie pracy serca w okresie jego głębokiej niewydolności oraz stworzenie tzw. pomostu w leczeniu do przeszczepienia serca lub jego regeneracji. W praktyce oznacza to, że sztuczne serce ma częściowo lub w pełni zastąpić funkcje niewydolnego organu w najbardziej newralgicznym momencie leczenia.

W Polsce tę metodę stosuje się w chirurgii od 15 lat, a Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. Zbigniewa Religi w Zabrzu to jedyny ośrodek w naszym kraju, który kompleksowo zajmuje się sztucznym wspomaganiem krążenia.

Przez ostatnie 5 lat Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii koordynowała projekt "Polskie sztuczne serce", którego celem było opracowanie rodziny protez serca obejmującej:

- pozaustrojową, pulsacyjną pompę wspomagania serca do krótkoterminowego (maks. do kilku miesięcy) stosowania w przypadku ostrej niewydolności serca;

- częściowo wszczepialną, pulsacyjną pompę wspomagania serca lub pompę wirową, mające zastosowanie w przewlekłej niewydolności krążenia przez okres do kilku lat;

- długookresową, całkowicie implantowalną protezę serca, pracującą przez nieograniczony czas, przeznaczoną głównie dla pacjentów z kardiomiopatią, u których nie można przeprowadzić transplantacji serca.

Efektem pracy naukowców jest rodzina protez serca Religa Heart. Jako jeden z nielicznych przedstawicieli mediów, miałem okazję podejrzeć prace naukowców i porozmawiać o przyszłości kardiochirurgii z najwybitniejszymi polskimi specjalistami w tej dziedzinie.

- Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii to jedyne miejsce w naszym kraju, które działa na styku teorii z praktyką. To właśnie w Zabrzu protezy serca są projektowane, testowane i budowane od podstaw, by następnie trafić do klinik. Patrząc na placówki we Francji, Niemczech, Japonii, Kanadzie czy Stanach Zjednoczonych, nie mamy się czego wstydzić. Wszystkie te działania są po to, by ratować ludzkie życie. Takie było marzenie prof. Zbigniewa Religii, który założył Fundację, i my staramy się je realizować - mówi INTERIA.PL Jan Sarna, dyrektor generalny Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu.

Prace nad sztucznym organem, który byłby w stanie przepompowywać odpowiednią ilość krwi, rozpoczął w 1957 r. Willem Kollf, holenderski lekarz pracujący w Cleveland Clinic, w USA. Podczas  eksperymentów w miejsce serca psa wstawił on sterowaną pneumatycznie pompę wykonaną z polichlorku winylu. Po zakończeniu zabiegu zwierzę przeżyło zaledwie 90 minut.

W 1977 r. opatentowano pierwszą w pełni funkcjonalną protezę serca wykonaną z aluminium i plastiku - Jarvik-7, którą 5 lat później wszczepiono do organizmu człowieka. Zaopatrzona w zewnętrzny mechanizm napęd i zasilanie proteza utrzymała pacjenta przy życiu przez 112 dni.

Następna generacja urządzenia to proteza Jarvik 2000 - wykonana ze stali i tytanu kilkucentymetrowa pompa wirowa, zasilana niewielką baterią połączoną z sercem kaniulą (plastikową rurką) wyprowadzaną na zewnątrz przez powłokę jamy brzusznej.

- Sztuczne serce to zwyczajowa nazwa urządzenia, które technicznie powinniśmy sklasyfikować inaczej. Tak jak sztuczny staw czy sztuczna skóra, sztuczne serce jest protezą tkanki biologicznej. Jako proteza ma zastępować wszystkie funkcje, jakie wykonuje naturalny organ. Tym w istocie są sztuczne serca. Dzisiaj odpowiedź na pytanie, jak działa sztuczne serce, nie jest wbrew pozorom łatwa, bo warunkuje ją wiele czynników. Każde urządzenie wspomagające pracę serca jest protezą serca - wyjaśnia dr Roman Kustosz, kierownik Pracowni Sztucznego Serca.

Protezy serca najogólniej można podzielić na pełne i częściowe. Pełną protezę serca jest urządzenie, które całkowicie - fizycznie i funkcjonalnie - zastępuje narząd. W świadomości społecznej to właśnie pełna proteza serca jest synonimem "sztucznego serca". Ale niezwykle ważne są również częściowe protezy serca, które wspomagają działanie naturalnego narządu.

W kardiochirurgii proteza częściowa oznacza zazwyczaj nie fragment sztuczny, który zastępuje część biologicznego organu (np. odcinając prawą komorę i zastępując ją syntetykiem), a urządzenie doszczepiane do serca i przejmujące część obciążeń, jakim narząd ten jest poddawany. Kiedy serce się zregeneruje, proteza częściowa jest usuwana.

- Protezy częściowe to tak naprawdę urządzenia wspomagające pracę serca, które nie są substytutami naturalnych organów. W praktyce, one faktycznie - także anatomicznie - zastępują część serca biologicznego, ale nie stale. Jeżeli chcemy mówić o tym, jak działa sztuczne serce, musimy zrozumieć fizjologię działania naturalnego narządu. Nasze serce jest układem podwójnym pomp wyporowych, współpracujących ze sobą, ale anatomicznie odseparowanych. Lewa komora jest pompą tłoczącą krew do układu naczyń obwodowych, tzw. łożyska systemowego. Prawa komora serca pompuje krew do płuc na tzw. małe łożysko krążeniowe, po to, żeby w pęcherzykach płucnych doszło do wymiany gazowej, podczas której jest dostarczany tlen i oddawany dwutlenek węgla. Natlenowana krew jest rozprowadzana po wszystkich tkankach organizmu - tłumaczy dr Kustosz.

- Rozgraniczenie funkcjonalne komór serca jest istotne, gdyż pokazuje, że wykonują one inną pracę. Lewa komora pompuje krew na duży obieg, przez co musi pokonać duży opór. Zdecydowanie mniejszy opór jest stawiany przed prawą komorą - relacje te wynoszą mniej więcej 1:10. Objętościowo obie komory pompują tyle samo krwi - średnio u dorosłego człowieka w spoczynku to rząd 5 litrów na minutę. Mimo że pracują sekwencyjnie, nie wykonują takiej samej pracy ze względu na wspomniane wcześniej różne opory. Ta różnorodność funkcjonalna, przy niemal identycznej anatomii komór, jest niezwykle istotna przy projektowaniu protez serca. Pompy wspomagające pracę serca powinny trafić w hemodynamikę lewej lub prawej komory, a to nie to samo. Do wspomagania lewej komory potrzebujemy urządzenia, które pracuje pod wyższym ciśnieniem. Chcąc odciążyć prawą komorę, musimy zastosować niższe ciśnienie, żeby nie uszkodzić płuc. W związku z tym protezy wspomagające pracę serca są zazwyczaj pompami izolowanymi. Nie ma uniwersalnej, która zastąpiłaby cały organ jednocześnie - objaśnia działanie skomplikowanych urządzeń dr Roman Kustosz.

Historycznie badania nad protezami serca dotyczyły pomp pulsacyjnych, czyli takich, które imitują naturalny przepływ krwi w ciele pacjenta. Dzięki skurczom syntetycznej komory krew jest tłoczona do organizmu falami, jak w zdrowym organizmie. Protezy pulsacyjne dominowały do roku 2000, później jednak zaczęto od nich odchodzić. Ze względu na stosunkowo wysoką awaryjność i obecność zastawek mechanicznych, na których tworzyły się liczne skrzepy, postanowiono poszukać innego rozwiązania.

Mimo że pompy pulsacyjne są stosowane do dziś, to za bardziej zaawansowane technologicznie uważa się pompy wirowe. Dzięki zastosowaniu specjalnych wirników (zastawek), lewitujących w polu magnetycznym, krew nie wykrzepia się wewnątrz pompy. Mają one jeden poważny minus - generują strumień krwi o stałym ciśnieniu, nie generując pulsu. Jeżeli zadane ciśnienie będzie choć odrobinę za wysokie, może to doprowadzić do uszkodzenia tkanek. Dlatego pompy wirowe uważa się za nowocześniejsze, ale ze względu na konieczną większą precyzję wykonania, są też zauważalnie droższe.

Zastosowanie zarówno pełnej protezy serca, jak i systemu wspomagającego działanie naturalnego narządu wymaga spełnienia przez urządzenie kilku ważnych warunków. Istotny jest materiał, z jakiego jest wykonane sztuczne serce. Musi być on jak najbardziej trwały i biokompatybilny.

- Pełne protezy serca nowej generacji są w stanie funkcjonalnie zastąpić naturalny organ, ale są stosowane tylko w takich przypadkach, kiedy lekarz widzi potrzebę wycięcia biologicznej pompy i zastąpienia jej mechaniczną. Nawet najbardziej zaawansowane protezy serca nie są dziś w stanie działać przez 20-40 lat, a tym samym nie mogą być stosowane w tzw. terminalnej terapii kardiologicznej. Czasami istnieje potrzeba wszczepienia sztucznego serca 20-latkowi, ale dla niego kilka lat życia to za mało. Oczywiście, można co parę lat decydować się na wymianę sztucznego serca na nowe, ale jest to zabieg nieopłacalny - twierdzi dr Kustosz dodając, że sztuczne serce, które miałoby zastąpić naturalny organ do końca życia, musiałoby być efektem współpracy biologów i inżynierów. Serce hybrydowe, z wnętrzem wyścielonym nabłonkiem pobranym od pacjenta, może być przyszłością kardiochirurgii.

Obecnie materiałem najczęściej stosowanym do budowy protez serca jest poliuretan. Amerykanie zastosowali go po raz pierwszy w 2001 r., w zasilanej bezprzewodowo sztucznej pompie Abio-Cor. Szybko okazało się jednak, że nawet na tworzywie sztucznym krew ma ochotę krzepnąć, a pacjenci musieli stale zażywać leki przeciwzakrzepowe. Pominięcie nawet jednej dawki mogło skończyć się dla nich tragicznie.

Aby zminimalizować ryzyko powstawania skrzeplin, naukowcy zaczęli modyfikować zarówno same protezy, jak i ich budulec. W produkcji komór wspomagania serca o krótkim czasie stosuje się biodegradowalne, atrombogenne powłoki hydrożelowe, natomiast protezy implantowalne tworzą materiały o wysokiej trwałości na bazie węgla diamentopodobnego - dominuje azotek tytanu i dwutlenek tytanu. W ogóle tytan jest często wykorzystywany do najnowszych protez serca, gdyż jest metalem w pełni obojętnym dla ludzkiego organizmu.

Kiedy nadchodzi moment, w którym serce musi być zastąpione przez protezę? Dzieje się tak, kiedy choroby serca - doskonale leczone obecnie przez kardiologię i kardiochirurgię - powodują, że organ ten staje się niewydolny. W praktyce oznacza to spadek wskaźnika kurczliwości serca do poziomu 15 proc. U zdrowego człowieka parametr ten wynosi ok. 50-60 procent (część zabieranej krwi zostaje w sercu podczas wyrzutu). Jeżeli wydajność serca spada poniżej 1/4 nominalnej wydajności organu, to mamy do czynienia z tak dużą niewydolnością serca, która przekłada się na poważne dysfunkcje całego organizmu.

- Dzieje się tak, gdyż do poszczególnych części ciała nie jest dostarczany tlen i nie są zabierane niepotrzebne substancje. Niewydolność pojedynczego organu jest odwracalna, ale przy niewydolności wielonarządowej, spirala wszystkich skutków zaczyna poważnie zagrażać życiu człowieka. Poza nowotworami, wszystkie choroby serca są dosyć dobrze opanowane przez medycynę - czy to leczeniem farmakologicznym, czy plastyką zastawek, czy w ostateczności transplantacją organu. Zawsze gra toczy się o czas, który jest potrzebny lekarzom do wyleczenia organu - dodaje dr Kustosz.

Ważnym zadaniem dla inżynierów było zaprojektowanie układu dla bezprzewodowej transmisji energii i danych do protezy serca. Nowe sterowniki charakteryzują się większym bezpieczeństwem oraz mniejszą wagą i rozmiarami, co przekłada się na mobilność całego systemu, a więc większą wygodę pacjenta. Dzięki ulepszonemu układowi zdalnego sterowania możliwy jest pomiar i nadzorowanie dużej liczby parametrów biologicznych w protezach w sposób ciągły, a przekroczenie pewnych zdefiniowanych wartości sygnalizowane jest alarmem.

Zebrane w ciągu 15 lat doświadczenia Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii, dotyczące stosowania polskich protez serca, obejmują przede wszystkim dorosłych i kilku nastoletnich pacjentów, gdyż dostępne urządzenia wspomagania serca nie są przystosowane dla dzieci.

- Najmłodsza pacjentka, której leczenie zostało wsparte naszą pozaustrojową protezą serca, przeznaczoną dla dorosłych, miała 12 lat. Pamiętam jak doktor Grzegorz Religa podjął dramatyczną decyzję o wszczepieniu sztucznego serca tej dziewczynce, choć urządzenie ledwo mieściło się w jej klatce piersiowej. Była to niezwykle ciężka batalia, choć udało się ją wygrać i doprowadzić pacjentkę do transplantacji - wspomina dr Roman Kustosz. Wg niego, wraz z rozwojem technik produkcji pełnowymiarowych protez serca, usprawniane są również protezy dla najmłodszych pacjentów.

Prace nad stworzeniem polskiej pediatrycznej protezy serca trwają od 2008 r. i są jednym z priorytetów Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu.

- Nie chcemy, żeby lekarze musieli podejmować ryzyko, któremu dziecku jeszcze uda się wszczepić z powodzeniem protezę dla dorosłych, a któremu już nie. Niemcy na bazie protez dla dorosłych stworzyli rodzinę pozaustrojowych protez Berlin Heart Excor, która sprawdza się zarówno u dzieci, jak i u dorosłych. Najmniejsza z protez ma pojemność 10 ml i z powodzeniem może być wykorzystywana we wspomaganiu serca noworodka. Protezy Berlin Heart są wszczepiane na całym świecie, ale poza nimi nie ma żadnej linii protez dedykowanej dzieciom. Blisko wprowadzenia sztucznego serca dla dzieci do etapu prób klinicznych są Amerykanie. My chcemy być następni - wyznaje kierownik Zakładu Protez Serca.

Fundacja opracowała już pierwszy model protezy Religa Heart - PED dla dzieci o wadze 20-40 kg. W jej konstrukcji zastosowano innowacyjne na skalę światową i względem systemu niemieckiego rozwiązania. Obecnie Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii planuje uruchomić projekt badań stosowanych, w których opracowany zostanie prototyp kliniczny protezy, technologia jej wytwarzania oraz wykonane doświadczenia na zwierzętach sprawdzające pracę protezy w długotrwałym kontakcie z krwią.

Po zakończeniu tej fazy, protezy będą mogły wkroczyć w fazę testów klinicznych. W planach śląskiego ośrodka jest również produkcja protez dla dzieci w przedziale wagowym 5-10 kg oraz 10-20 kg - wszystkie do przedłużonego stosowania w warunkach szpitalnych. Na horyzoncie są również plany opracowania wszczepialnych, miniaturowych pomp wirowych do długotrwałego stosowania u najmłodszych pacjentów.

W ramach programu "Polskie Sztuczne Serce" w instytucie w Zabrzu stworzono prototypową rodzinę protez serca:

- pozaustrojową, pulsacyjną pompę wspomagania serca - Religa Heart EXT;

- częściowo wszczepialną, pulsacyjną pompę wspomagania serca - Religa Heart IMPL;

- częściowo wszczepialną wirową odśrodkową pompę wspomagania serca - Religa Heart ROT;

- częściowo wszczepialną wirową, osiową pompę wspomagania serca.

7 maja 2013 r. w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii został uruchomiony pierwszy w Polsce zakład produkcji protez serca. Małoseryjny montaż protez serca z rodziny Religa Heart odbywa się przy zachowaniu najwyższych standardów jakości, powtarzalności, kontroli i bezpieczeństwa, niezbędnych w przypadku produkcji tego typu urządzeń medycznych.

- W wyniku wieloletniej współpracy z Francuzami, zdecydowaliśmy się stworzyć własne laboratorium technologiczne pozwalające na małoseryjną produkcję protez serca. Tych kilka niewielkich pomieszczeń powszechnie nazywane jest zakładem protez serca, choć formalnie on nie ma takiej nazwy w naszej strukturze organizacyjnej. Ale faktycznie, jako zakład może być postrzegany, bo powstają tam w pełni funkcjonalne produkty - mówi dr Kustosz.

- Proces produkcji protez serca wymaga niezwykłej precyzji, więc jest w pełni zautomatyzowany. Oczywiście, cały czas operator czuwa nad poszczególnymi etapami, ale polskie protezy serca - podobnie zresztą jak na całym świecie - są produkowane przez miniroboty. Teraz opracowujemy protezy serca na potrzeby badań klinicznych, ale docelowo chcemy trafić także na rynek komercyjny - kończy dr Roman Kustosz.

Wytworzenie pojedynczej protezy serca jest żmudnym procesem. Od pierwszego szkicu w bazie do finalnej, wysterylizowanej, wywietrzonej protezy, która może trafić do kliniki, mija 3-4 tygodnie. Mimo że produkcja dopiero się rozkręca, docelowo w laboratorium Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii ma powstawać 8 protez miesięcznie (2 sztuki na tydzień). Zagraniczna wirowa proteza serca może kosztować nawet kilkaset tysięcy euro, proteza pulsacyjna jest 10 razy tańsza. Ceny nawet najnowocześniejszych protez serca produkowanych w Zabrzu będą kształtować się w podobnym rzędzie wielkości, tyle że nie euro, a złotych.

Nie ma co się łudzić, że pewnego dnia problemy kardiologiczne całkowicie znikną z naszego życia. Czy jednak kiedykolwiek uda się stworzyć idealną protezę serca, którą - nie tylko kolokwialnie - będzie można nazwać "sztucznym sercem"? Mało prawdopodobne jest, by w pełni syntetyczny narząd, twór ludzki, był w stanie zastąpić doskonale skrojony organ biologiczny. Biodegradowalność i ograniczona żywotność każdego materiału sztucznego wyraźnie limituje to marzenie.

Pomysłem na przekroczenie barier może być serce hybrydowe, które poza poliuretanowym lub tytanowym trzonem, będzie zawierać komórki pobrane z organizmu pacjenta. Taka pompa mogłaby działać nawet 30 lat.

W jednym z wywiadów prof. Zbigniew Religa powiedział kiedyś: "Wciąż zbyt wiele osób umiera z powodu chorób układu krążenia. Chciałbym, żebyśmy do 2025 r. uwolnili się od tej plagi". Na realizację tego marzenia jego zespół ma jeszcze 12 lat.