Ενεργειακή διερεύνηση και προσομοίωση της μηχανικής υποστήριξης της ανεπαρκούσης καρδιάς με αποδοτικό σύστημα
Authors: Καλογεράκος Πάρις-Δημήτριος 
Published: August 2021

-Καρδιακή ανεπάρκεια τελικού σταδίου: Ιστορικά στοιχεία και θεραπείες. Η καρδιακή ανεπάρκεια αποτελεί βασική αιτία θνητότητας και νοσηρότητας στις ανεπτυγμένες χώρες. Η αντιμετώπισή της περιλαμβάνει φαρμακευτική αγωγή και χειρουργικές επεμβάσεις. Στις περιπτώσεις καρδιακής ανεπάρκειας τελικού σταδίου οι θεραπευτικές λύσεις περιορίζονται στη μεταμόσχευση καρδιάς ή στην πιο πρόσφατη μέθοδο της εμφύτευσης συσκευών μηχανικής υποστήριξης της κυκλοφορίας. Ως θεραπεία εκλογής θεωρείται ανέκαθεν η μεταμόσχευση καρδιάς που συνοδεύεται όμως ακόμα από σημαντικές επιπλοκές. Η αντιμετώπιση αυτών των επιπλοκών ωφελεί μόνο τους λήπτες μοσχευμάτων ενώ η βελτίωση των τεχνικών επιτρέπει την ένταξη επιπλέον ασθενών στο πρόγραμμα μεταμόσχευσης. Παρ’ όλα αυτά, για τους περισσότερους ασθενείς στη λίστα αναμονής το καρδιακό μόσχευμα δεν ανευρίσκεται αφού οι δότες είναι ελάχιστοι. Ως εκ τούτου, η βελτίωση των συσκευών μηχανικής υποστήριξης της κυκλοφορίας αποτελεί τη μοναδική λύση ώστε να καλυφθούν οι μεγάλες ανάγκες των καρδιοπαθών στο μέλλον. Η αντικατάσταση της καρδιάς και η κατασκευή τεχνητών ανθρώπινων τμημάτων εμφανίζεται στις αρχαίες μυθολογίες. Σύμφωνα με τον κινεζικό μύθο, ο γιατρός Pien Ch’iao κοίμισε δύο άντρες και αντάλλαξε τις καρδιές τους. Στην ελληνική μυθολογία ο Τάλως ήταν ο μυθικός φύλακας της Κρήτης. Κατασκευασμένος από τον Ήφαιστο, ο γίγαντας, ανθρωπόμορφος και θνητός Τάλως έχασε τη ζωή του όταν το ιχώρ που διέρρεε το χάλκινο σώμα του χύθηκε. Σε άλλο μύθο, ο Δαίδαλος κατασκεύασε τεχνητά φτερά από πούπουλα και κερί για να δραπετεύσει ο ίδιος και ο γιος του Ίκαρος από το Λαβύρινθο του Μινώταυρου. Πέραν των μύθων, το δόντι ήταν το πρώτο ανθρώπινο τεχνητό τμήμα και κατασκευάστηκε στην αρχαία Κίνα. Πριν 4.000 χρόνια οι Κινέζοι σφήνωναν στη γνάθο σκαλισμένα κομμάτια ξύλου μπαμπού για την αντικατάσταση των πεσμένων δοντιών. Από το 800 π.Χ. περίπου χρονολογείται η κατασκευή του πρώτου τεχνητού δακτύλου στην αρχαία Αίγυπτο. Η Ταμπακετενμούτ, κόρη ιερέα, πιθανόν έπασχε από σακχαρώδη διαβήτη και λόγω ισχαιμικής γάγγραινας έχασε το δάκτυλο του ποδιού της. Η πρόθεση στερεωνόταν με κόμπους από νήμα και ήταν κατασκευασμένη από ξύλο και πιθανώς από δέρμα. Στην αρχαία Ελλάδα ο μάντης Ηγησίστρατος, σύμφωνα με τον Ηρόδοτο, βρέθηκε αλυσοδεμένος από τους Σπαρτιάτες και για να δραπετεύσει έκοψε το πόδι του και το αντικατέστησε με ένα ξύλινο. Στην αρχαία Ρώμη ο στρατηγός Μάρκος Σέργιος, σύμφωνα με τον Πλίνιο τον Πρεσβύτερο, έχασε το χέρι του στη μάχη και το αντικατέστησε με ένα σιδερένιο. Από τη μεσαιωνική Ευρώπη, 5ο – 8ο αιώνα μ.Χ., χρονολογούνται δύο τεχνητά πόδια. Το ένα ήταν δερμάτινο και στο εσωτερικό του πιθανώς βρίσκονταν χόρτα ή βρύα ενώ το άλλο ήταν κατασκευασμένο από ξύλο και κρατέρωμα. Κατά την Αναγέννηση εμφανίστηκαν τα πρώτα τεχνητά μέλη με κλειδώσεις. Η περίοδος της Αναγέννησης ήταν ιδιαίτερα σημαντική για τη μελλοντική ανάπτυξη των συσκευών υποστήριξης της κυκλοφορίας. Το 1513, ένας από τους σημαντικότερους επιστήμονες της ανθρωπότητας, ο μεγαλοφυής Leonardo da Vinci σχεδίασε τεχνητές βαλβίδες. Μετά από περίπου έναν αιώνα, το 1628, ο Harvey περιέγραψε πρώτος τον αντλητικό ρόλο της καρδιάς. Η διαπίστωση αυτή διόρθωσε τις παλαιότερες πεποιθήσεις των αρχαίων Ελλήνων περί της καρδιακής λειτουργίας. Στην αρχαία Ελλάδα ο Ιπποκράτης δεν είχε συσχετίσει τον καρδιακό σφυγμό με τον παλμό. Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι το αίμα δημιουργείται στην καρδιά και απορροφάται στην περιφέρεια. Επί Ρωμαϊκής αυτοκρατορίας, ο Έλληνας γιατρός και φιλόσοφος Γαληνός έκανε αρκετές διαπιστώσεις. Παρατήρησε ότι η καρδιά είναι μυώδης και συσπάται, περιέγραψε αναρρόφηση κατά την καρδιακή διαστολή και αντιλήφθηκε το ρόλο των βαλβίδων. Ωστόσο θεώρησε ότι ο παλμός διαδίδεται από το τοίχωμα των αρτηριών. Αφού οι παρανοήσεις σχετικά με το ρόλο της καρδιάς ξεπεράστηκαν με το έργο του Harvey, το 1812 ο Le Gallois εισήγαγε την ιδέα της μηχανικής υποστήριξης της κυκλοφορίας. Σήμερα οι συσκευές που υποστηρίζουν την κυκλοφορία είναι μια πραγματικότητα. Η πειραματική περίοδος πριν την κλινική εφαρμογή των συσκευών μηχανικής υποστήριξης της κυκλοφορίας σηματοδοτείται από την εμφύτευση μιας τεχνητής καρδιάς σε ένα σκύλο το 1937 από τον Demikhov. Το 1958 οι Akutsu και Kolff δημοσίευσαν την εμφύτευση μιας πνευματικής τεχνητής καρδιάς. Το 1962 ο Liotta εμφύτευσε σε σκύλους μία πνευματική συσκευή υποστήριξης της αριστερής κοιλίας που προωθούσε παλμικά το αίμα από τον αριστερό κόλπο στην κατιούσα αορτή. Το 1965 ο Nose εμφύτευσε μια τεχνητή καρδιά που διατήρησε στη ζωή το πειραματόζωο για περισσότερο από 2 ημέρες. Το 1976 ένα πειραματόζωο έζησε με την τεχνητή καρδιά Jarvik 5 για 184 ημέρες και το 1981 ένα άλλο ζώο επέζησε για 268 ημέρες. Την ίδια περίοδο εμφυτεύτηκε και η τεχνητή καρδιά που σχεδίασε ο Kwan-Gett. Η κλινική εφαρμογή των συσκευών υποστήριξης της κυκλοφορίας εγκαινιάστηκε το 1969 όταν ο Cooley εμφύτευσε για πρώτη φορά στο θώρακα ασθενούς μια τεχνητή καρδιά. Αυτή η συσκευή σχεδιάστηκε από το Liotta και χρησιμοποιήθηκε ως γέφυρα για μεταμόσχευση, δηλαδή ως προσωρινή λύση μέχρι να βρεθεί ένα καρδιακό μόσχευμα. Καθώς όμως τα καρδιακά μοσχεύματα ήταν ανέκαθεν δυσεύρετα και ορισμένοι ασθενείς δεν ήταν εκλέξιμοι για μεταμόσχευση, η χρήση της τεχνητής καρδιάς επεκτάθηκε και ως οριστική λύση. Το 1982 ο DeVries εμφύτευσε για πρώτη φορά μια τεχνητή καρδιά, το μοντέλο Jarvic-7, ως οριστική λύση. Οι συσκευές υποστήριξης της κυκλοφορίας αναπτύσσονταν παράλληλα με τη μέθοδο της μεταμόσχευσης καρδιάς. Μετά τα πρωταρχικά πειράματα καρδιακής μεταμόσχευσης των Carrel και Guthrie στις αρχές του 20ου αιώνα, ακολούθησαν τα πειράματα του Mann τη δεκαετία του 1930 και του Demikhov τη δεκαετία του 1940 στη Ρωσία. Στην Αμερική τη δεκαετία του 1950 οι Marcus, Wong, Luisada, Webb, Howard, Berman, Akman, Later, Cass και Brock ασχολήθηκαν με τη μεταμόσχευση καρδιάς. Την ίδια δεκαετία ο Neptune, ο Sen και ο Blanco χρησιμοποίησαν την υποθερμία για να μεταμοσχεύσουν την καρδιά και τους πνεύμονες σε πειραματόζωα. Το 1958 ο Goldberg πραγματοποίησε την πρώτη ορθοτοπική μεταμόσχευση καρδιάς σε πειραματόζωο. Η πειραματική ετεροτοπική μεταμόσχευση καρδιάς εντός του θώρακα περιγράφεται από τους Demikhov, Sen, Reemtsma, McGough και Brewer. Στη Νότιο Αφρική το Δεκέμβριο του 1967, ο Barnard πραγματοποίησε την πρώτη μεταμόσχευση καρδιάς σε άνθρωπο. Το 1968 πραγματοποιήθηκαν παγκοσμίως 101 μεταμοσχεύσεις καρδιάς αλλά τα αποτελέσματα ήταν σχετικά πτωχά. Το 1969 πραγματοποιήθηκαν 47 μεταμοσχεύσεις και τα επόμενα χρόνια περίπου 25 ετησίως. Ο Barnard, για να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα της ορθοτοπικής καρδιακής μεταμόσχευσης, ανέπτυξε την ετεροτοπική μέθοδο πειραματικά και την εφάρμοσε κλινικά για πρώτη φορά το 1974. Η μέθοδος αυτή, που είχε ως βασικό χαρακτηριστικό την υποστήριξη της ανεπαρκούσης καρδιάς, απέδειξε τα προτερήματά της. Η υποστήριξη της κυκλοφορίας ή η πλήρης ανάληψή της από συσκευές εφαρμόζεται κλινικά τις τελευταίες δεκαετίες. Οι τεχνητές καρδιές αντικαθιστούν την ανεπαρκούσα καρδιά και αναλαμβάνουν πλήρως την κυκλοφορία. Οι συσκευές υποστήριξης της κυκλοφορίας συνυπάρχουν με την ανεπαρκούσα καρδιά και παρέχουν παλμική (1η γενιά) ή συνεχή ροή (2η και 3η γενιά), αναλαμβάνοντας μερικώς την κυκλοφορία. Άλλες συσκευές υποβοηθούν την ανεπαρκούσα καρδιά δημιουργώντας αορτική αντιώθηση, είτε με εκπτυσσόμενο θάλαμο εντός του αορτικού αυλού είτε συμπιέζοντας εξωτερικά την αορτή. -Οι σκέψεις μας και τα πειράματα στο Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας. Μια συσκευή που θα μπορούσε να υποβοηθήσει μερικώς την ανεπαρκούσα καρδιά είναι το τεχνητό μυοκάρδιο. Μια τέτοια συσκευή θα τοποθετείται επικαρδιακά και θα παρέχει εξωτερική συμπίεση της ασθενούς καρδιάς. Η μέθοδος της άμεσης καρδιακής συμπίεσης υποστηρίζει την κυκλοφορία χωρίς την επαφή τεχνητής επιφάνειας – αίματος και δεν διακυβεύει την αιμάτωση του μυοκαρδίου, παρότι η πορεία των στεφανιαίων αγγείων είναι επικαρδιακή. Μια συσκευή άμεσης καρδιακής συμπίεσης είναι το τεχνητό μυοκάρδιο από ίνες μεταλλικών κραμάτων με μνήμη σχήματος (shape memory alloy – SMA). Αυτές οι ίνες συστέλλονται όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα εξαιτίας της θέρμανσής τους που επιφέρει αλλαγή στην ιδιαίτερη κρυσταλλική τους δομή. Όταν το αίτιο της συστολής πάψει, οι ίνες ψύχονται και διαστέλλονται παθητικά. Στο Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας διενεργήθηκε μια σειρά πειραμάτων με σκοπό την ανάπτυξη τεχνητού μυοκαρδίου από ίνες SMA. Αρχικά κατασκευάστηκε ένα σύστημα που έλεγχε τις ίνες και το περιβάλλον τους και επέτρεπε με ακρίβεια τη μέτρηση της βράχυνσης, της ηλεκτρικής αντίστασης, της δύναμης και της ταχύτητας συστολής ή διαστολής σε διάφορες θερμοκρασίες. Αναπτύχθηκε μια αποτελεσματική μέθοδος ελέγχου των ινών με Current Shaping, και η λειτουργία τους μελετήθηκε ενεργειακά. Κατασκευάστηκε ένας προσομοιωτής της κυκλοφορίας και διερευνήθηκε η αντλητική λειτουργία ενός τεχνητού μυοκαρδίου κατασκευασμένου με ίνες SMA. Το τεχνητό μυοκάρδιο από 6 ίνες SMA συνολικού βάρους περίπου 0,1g παρουσίασε μέγιστο όγκο παλμού 12,67ml και μέγιστη πίεση περίπου 25mmHg. Κατά τη διενέργεια των πειραμάτων διαπιστώθηκε ότι οι ίνες διαστέλλονται σχετικά αργά και ότι η αποτελεσματικότητά τους περιορίζεται από τη δεδομένη ποσοστιαία βράχυνσή τους. Οι ενεργειακές ανάγκες των ινών διερευνήθηκαν σε κάθε πειραματικό στάδιο και διαπιστώθηκε ότι η ενεργειακή τους απόδοση είναι περίπου 0,3%. Η ισχύς του τεχνητού μυοκαρδίου υπολογίστηκε περίπου 9,7watt. Το σημαντικότερο μειονέκτημα των ινών SMA είναι η χαμηλή διαστολική ταχύτητα. Για να επιταχυνθεί η διαστολή χρησιμοποιήθηκαν ψυκτικά υγρά με καλά αποτελέσματα αλλά παράλληλη αύξηση των ενεργειακών απαιτήσεων. Κατασκευάστηκαν πλεξίδες ινών SMA που διαστέλλονταν γρηγορότερα από τις ισοδύναμες μονήρεις ίνες. Για την αύξηση της μετατόπισης κατασκευάστηκε ένα σύστημα με ολισθαίνοντα πλακίδια που πολλαπλασίασε κατά 6 φορές τη μετατόπιση χωρίς να μειωθεί η δύναμη. Επίσης αναπτύχθηκε ένας συσταλτός κύκλος που μετέτρεπε τη βράχυνση των ινών στην περιφέρειά του σε κεντρομόλο συμπίεση σύμφωνα με ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο ρυθμό μόχλευσης. -Συμπεράσματα. Τα πλεονεκτήματα της υποστήριξης της ανεπαρκούσης καρδιάς με άμεση καρδιακή συμπίεση υπερκερνούν τη χαμηλή απόδοση του τεχνητού μυοκαρδίου από ίνες SMA. Οι ίνες ελέγχονται άριστα και χαρακτηρίζονται από ικανοποιητική αντλητική ικανότητα. Οι μέθοδοι για την αύξηση της διαστολικής ταχύτητας και της μετατόπισης ήταν αποτελεσματικοί αλλά χρειάζεται να διεξαχθούν επιπλέον έρευνες για να την ανάπτυξη μίας κλινικά χρήσιμης συσκευής. Ο τελικός σκοπός είναι να σχεδιαστούν συσκευές υποστήριξης της κυκλοφορίας που να θεωρούνται ισάξιες ή καλύτερες από τη μεταμόσχευση καρδιάς.