PMC

Literaturübersicht und Diskussion

Die Theorie der „mechanischen Kreislaufunterstützung“ wurde erstmals von Julien Jean Cesar LeGallois im Jahr 1812 aufgestellt. Seine Hypothese sollte jedoch erst im 21. Jahrhundert Realität werden. Fast ein Jahrhundert nach der Theorie von LeGallois taten sich in den 1920er Jahren Charles Lindbergh und Alexis Carrel zusammen, um die mechanische Kreislaufunterstützung voranzutreiben. Lindbergh war ein Erfinder, der heute vor allem als Flieger bekannt ist, der den Atlantik überflog, während Carrel ein Chirurg war, der den Nobelpreis für seine Innovationen in der Organtransplantation erhielt. Carrel war sich nicht sicher, ob bei einer Herzoperation eine externe Blutpumpe den menschlichen Körper unterstützen könnte. Lindbergh überprüfte die Probleme, die Carrel hatte und machte sich daran, mehrere eigene Blutpumpen zu entwickeln, die sich jedoch als erfolglos erwiesen. Es dauerte ein paar Jahre, aber schließlich schuf er eine Blutpumpe, die tatsächlich funktionierte. Lindbergh entwickelte auch eine Zentrifuge, die das Blutplasma sicher trennen konnte. Nach dieser Innovation, Carrel und Lindbergh ging auf eine „in vitro künstliche Herz-ähnliche“ Gerät zu schaffen, um Organe am Leben zu halten, wenn aus dem Körper entfernt. Einige Organe, die sie entnahmen, waren Nieren, Herzen, Schilddrüsen und Eierstöcke. Diese Organe wurden nach der Entnahme überwacht, um ihre Entwicklung und Funktion zu beobachten. Frühe Innovationen wie eine externe Blutpumpe und ein Gerät, das dem eines künstlichen Herzens ähnelte, setzten den Wunsch in Gang, ein totales künstliches Herz zu schaffen.

Später, im Jahr 1937, entwickelte Dr. Vladimir P. Demikhov ein totales künstliches Herz (TAH) und führte die erste Koronararterien-Bypass-Operation und intrathorakale Transplantation in der Welt durch. Das von ihm entwickelte TAH bestand aus zwei Pumpen, die nebeneinander angeordnet waren und von einem „externen Motor mit transkutaner Antriebswelle“ angetrieben wurden. Dieses Gerät wurde in einen Hund transplantiert, der 5,5 h nach der Operation weiterlebte. Seine Experimente waren die ersten dieser Art und er testete hauptsächlich an Hunden. 1946 transplantierte Dr. Demikhov gleichzeitig ein Herz und eine Lunge, was sich als erfolgreich erwies. Er war in der Lage, diese Operationen ohne kardiopulmonalen Bypass durchzuführen. Anstelle des kardiopulmonalen Bypasses führte Dr. Demikhov die Operation schnell durch und benutzte seine eigene Methode zur Organerhaltung während der Transplantation. Im Juni 1946 führte er eine heterotope Herz-Lungen-Transplantation an einem Hund durch, die 9,5 Stunden dauerte und einen Meilenstein in seinen Experimenten darstellte. Die Tiere, an denen Dr. Demikhov experimentierte, überlebten in der Regel 30 Tage nach der Operation. Dr. Demikhovs Herz-Lungen-Präparate des Spenders wurden während der Transplantation durch die Verwendung eines „geschlossenen Kreislaufs“ erhalten. „Das Blut aus der linken Herzkammer wurde in die Aorta gepumpt; dann gelangte es durch die Herzkranzgefäße, die den Herzmuskel versorgten, in den rechten Vorhof, die rechte Herzkammer und die Lunge, wo das Blut reoxygeniert und in den linken Vorhof zurückgeführt wurde“ . Im Juli 1953 erreichte er einen Meilenstein, indem er die erste erfolgreiche koronare Bypass-Operation an einem Hund durchführte. Die Internationale Gesellschaft für Herz- und Lungentransplantation verlieh Dr. Demikhov 1989 den ersten Pioneer Award“ für die Entwicklung der intrathorakalen Transplantation und den Einsatz von Kunstherzen“. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Dr. Demikhov ein Pionier war, der seine Ideen über das Herz in die Realität umsetzte, die heute regelmäßig in der Medizin verwendet werden.

Ein paar Jahre nach Dr. Demikhov, im Jahr 1939, assistierte Dr. John H. Gibbon, Jr. aus den Vereinigten Staaten einem anderen Arzt bei einer Notfall-Lungenembolektomie, bei der ein Patient aufgrund von Blutgerinnseln, die bei einer Operation am offenen Herzen entfernt wurden, das Bewusstsein verlor. Er dachte, wenn es ein Gerät gäbe, das das Blut aus dem Körper des Patienten unter Umgehung der Lunge entfernen, den Körper mit Sauerstoff versorgen und dann zum Herzen zurückführen könnte, würde der Patient noch leben. Dieses Ereignis befeuerte seine Leidenschaft, die Herz-Lungen-Maschine zu entwickeln. Im Laufe der nächsten Jahre entwickelte Dr. Gibbon ein Gerät, das an Laborratten untersucht wurde. Die Laborratten überlebten die Experimente mit der Ganzkörperperfusion und diese Forschung wurde 1939 veröffentlicht. Jahre später arbeitete Dr. Gibbon für das Jefferson Medical College, wo er sich mit IBM zusammentat, um an seinem Gerät zu arbeiten, das nach der Entwicklung als IBM Modell I eingeführt wurde. Dieses Gerät war erfolgreich, wenn es bei Hunden eingesetzt wurde; die Anwendung beim Menschen war jedoch begrenzt. Im Jahr 1952 wurde das Herz-Lungen-Gerät Modell II für die Anwendung am Menschen freigegeben. Obwohl das Gerät gut konstruiert war, starb der erste Patient, ein knapp über ein Jahr altes Baby, während der Operation. Im Jahr 1953 wurde das Gerät bei zwei weiteren Kindern eingesetzt, die ebenfalls starben. Daraufhin stellte Dr. Gibbon alle Arbeiten mit dem Gerät ein. Im Juli 1954, nach weiteren Forschungen zu Gerinnseln und Blutverlust, wurde das Gerät überarbeitet und das Modell III von IBM freigegeben. Dr. Gibbon teilte sein Gerät jedoch bereits 1953 mit der Mayo-Klinik, die das Gerät weiterentwickelte und es den „Mayo-Gibbon-Typ-Oxygenator“ nannte, der Hunderte von Patienten rettete.

Im Jahr 1948 suchte William H. Sewell, Jr., ein Medizinstudent an der Yale University, nach dem Bau eines künstlichen Herzens für seine Abschlussarbeit an der medizinischen Fakultät. Dr. Sewell hatte gesehen, wie Dr. Gibbon und andere Fortschritte in der Kardiologie machten. Dr. Gibbon hatte im Grunde eine Herz-Lungen-Maschine geschaffen, die bei Herzoperationen anstelle des Herzens und der Lunge funktionieren sollte; als Dr. Sewell jedoch mit seinen Forschungen begann, waren noch keine Herzoperationen mit einem Pump-Sauerstoffgerät hergestellt worden. Er war der Meinung, dass die Lunge des Patienten zur Sauerstoffanreicherung des Blutes während einer Herzoperation verwendet werden könnte und somit nur eine oder zwei Pumpen anstelle des Herzens benötigt würden. Dr. Sewell konstruierte seine Pumpe so, dass sie um die rechte Seite des Herzens herumgeführt wurde. In seinen ersten Versuchen war er nicht erfolgreich. Seine Versuche scheiterten daran, dass er mit einer Rollenpumpe kein Blut durch Gummischläuche drücken konnte. Er entschied sich dann, Druckgas zu verwenden, um Kraft zu erzeugen. Dr. Sewell untersuchte auch die Methoden, die andere Forscher verwendet hatten, aber auch sie konnten das Blut nicht durch eine Pumpkammer bewegen. Dr. Sewell entwarf dann eine „pneumatisch betriebene Pumpe“. Diese Pumpe bestand aus einer „röhrenförmigen Pumpkammer aus Glas mit einem Seitenarm, der an eine Druckluft- und Vakuumquelle angeschlossen war, und einer Gummiblase aus verstärktem Penrose-Schlauch, die durch perforierte Gummistopfen gehalten wurde“. Die Pumpkammer war durch Gummiklappenventile geschützt und saugte Blut aus dem rechten Vorhof über eine Kanüle in die Lungenarterie. Exzenter und beschwerte Arme mit Klingen steuerten das Timing von Druckluft und Absaugung, da die Klingen die kleinen Gummischläuche anhielten und freigaben, was alles zu Druckluft- und Vakuumquellen führte . Diese Methode erwies sich für Dr. Sewells Pumpe als erfolgreich, und er gewann für diese Leistung den Dissertationspreis seiner medizinischen Fakultät.

Nachdem sie in die Fußstapfen ihrer Vorgänger getreten waren, implantierten Dr. Tetsuzo Akutsu und Dr. Willem Kolff von der Cleveland Clinic in den Vereinigten Staaten 1957 als erste erfolgreich ein TAH in ein Tier, das daraufhin 1,5 h lebte. Diese beiden Ärzte waren Experten in der Entwicklung von TAHs und erhielten viele Auszeichnungen. Einige Jahre später, 1952, schuf Domingo Liotta aus Argentinien seine eigenen Modelle, ähnlich denen von Dr. Tetsuzo und Dr. Kolff. Seine Modelle erhöhten die Überlebenszeit auf bis zu 13 h . Liotta arbeitete dann mit Dr. Michael DeBakey von der Baylor University in den Vereinigten Staaten zusammen, der 1983 ein Gerät mit einer Rollenpumpe entwickelte, das eine konstante Bluttransfusion ermöglichte. 1963 führte Liotta die „erste klinische Implantation eines pulsierenden linksventrikulären Unterstützungsgeräts“ durch. Einige Jahre später, 1969, führte Dr. Denton Cooley die „erste TAH“-Transplantation bei einem Menschen durch . Dr. Cooley arbeitete auch mit Domingo Liotta zusammen. Sie arbeiteten gemeinsam an der Weiterentwicklung des künstlichen Herzens, das Liotta ursprünglich entwickelt hatte. Silikon-haltiges Dacron bildete die dehnbare Barriere des Herzens . Eine netzartige Textur wurde verwendet, um Gefäßtransplantate zu imitieren. Die scharnierlosen Wada-Cutter-Klappen wurden wegen ihrer großen Öffnung verwendet, die einen leichten Durchfluss ermöglichte. Es gab einige Probleme mit diesen Klappen, die sich jedoch als vorteilhaft herausstellten, da die Klappen eine Spülung verursachten, die die Thrombusbildung verhinderte. Ironischerweise war die Thrombusbildung ein Problem bei allen TAHs, die danach herauskamen. Dr. Cooley und Liotta suchten dann den Rat eines Ingenieurs, um eine „pneumatische Antriebskonsole“ zu entwickeln. Eine „pneumatische Antriebskonsole“ ermöglichte es ihnen, ihr neues Design des Kunstherzens am Menschen einzusetzen. Danach wurde dieses Gerät einem 47-jährigen Mann implantiert, der fast arbeitsunfähig war und seit 10 Jahren immer wieder Herzanfälle hatte. Dieser Patient erhielt dieses Gerät, das erste TAH im Jahr 1969, und es schien zunächst in Ordnung zu sein; jedoch begann seine Nierenfunktion zu sinken und die Hämolyse setzte ein. 64 Stunden nach der ersten Operation musste ein Spender für eine menschliche Herztransplantation gefunden werden und der Patient starb 32 Stunden nach der menschlichen Herztransplantation aufgrund einer Lungenentzündung. Der Patient starb hauptsächlich aufgrund der Abstoßungsreaktion. Obwohl der Patient starb, lernte Dr. Cooley, dass die menschliche Durchblutung durch ein mechanisches Gerät das Potenzial hatte, erfolgreich zu sein.

In der Zeitlinie der Ereignisse des Fortschritts des künstlichen Herzens standen die nächsten Personen im Mittelpunkt einer Kontroverse. Paul Winchell behauptet, dass er der erste war, der das künstliche Herz erfunden hat und dass Dr. Robert Jarvik seine Ideen kopiert hat, um das Jarvik Herz zu erfinden. Nachforschungen ergaben jedoch, dass er nicht der Erste war, da bereits vor Winchell Patente angemeldet wurden.

Dr. Robert Jarvik ist bekannt für seine Arbeit am ersten permanenten Kunstherz, das sich als erfolgreich erwies. Er hat von allen bisherigen Erfindern die meiste Anerkennung erhalten. 1982 wurde das erste permanente Kunstherz von Chirurgen der Universität von Utah in einen 61-jährigen Patienten namens Barney Clark transplantiert. Der bereits erwähnte Dr. Willem Kolff leitete das Team, das an diesem Kunstherz arbeitete. Nachdem er 1967 die Cleveland Clinic verlassen hatte, wechselte Dr. Kolff an die Universität von Utah. Dort lernte er 1971 Robert Jarvik kennen und stellte ihn für seine Arbeitsgruppe ein, die an der Entwicklung von künstlichen Organen arbeitete. Dr. Kolff hatte die Tradition, die künstlichen Herzen nach den Forschern zu benennen, die an ihnen arbeiteten. Robert Jarvik arbeitete zufällig an dem künstlichen Herzen und deshalb wurde es als Jarvik 7 bekannt. Dr. Jarvik war erst 35 Jahre alt und erhielt alle Anerkennung für diese Erfindung, einfach weil es nach ihm benannt wurde und Dr. Kolff vergessen wurde. Vor der ersten erfolgreichen Transplantation im Jahr 1982 wurde der Jarvik 7 in klinischen Studien getestet. Barney Clark, der erste Empfänger des Jarvik 7, lebte 112 Tage nach der Transplantation. Der zweite Empfänger lebte danach noch 620 Tage. Von den drei nachfolgenden Empfängern starb einer an Blutverlust, die beiden anderen lebten 10 und 14 Monate. Im Wesentlichen starben alle Patienten an verschiedenen Komplikationen wie Multiorganversagen, Schlaganfall und Infektionen, um nur einige zu nennen. Das Hauptproblem mit dem Jarvik 7 war, dass für die Behandlung eine „große pneumatische Konsole“ erforderlich war und der Patient daher das Krankenhaus nicht verlassen konnte. Dieser Vorbehalt würde es nicht erlauben, das Jarvik 7 als dauerhaftes Kunstherzimplantat zu verwenden.

Im Wesentlichen hatte das Jarvik 7 zwei „luftbetriebene Pumpen“, die die Herzfunktion mit 40 – 120 bpm (Schlägen pro Minute) kopierten. Jede Kammer hatte einen „scheibenartigen Mechanismus“ aus Polyurethan, der das Blut durch den Jarvik 7 von der einströmenden zur ausströmenden Klappe drückte. Mit Manschetten wurde der Jarvik 7 an den natürlichen Vorhöfen des Herzens befestigt. Die Manschetten wurden durch Antriebsleitungen befestigt, die aus verstärktem Polyurethan bestanden. Die Antriebsleitungen waren außerdem beschichtet, um das Gewebewachstum zu fördern. Die Antriebsleitungen wurden durch die linke Seite des Patienten eingeführt. Eine große elektronische Einheit von der Größe eines Kühlschranks versorgte den Jarvik mit Strom, um seinen Betrieb zu ermöglichen. Diese Einheit steuerte auch die „Pumprate, den Pumpendruck und andere wichtige Funktionen mit Hilfe von Elektrizität, Druckluft und einem Vakuum“. Das Jarvik 7 wurde später in Cardiowest Total Artificial Heart umbenannt. Der Grund dafür ist, dass Symbion, der ursprüngliche Hersteller des Geräts, die Produktion 1990 einstellte, weil sie die FDA-Anforderungen nicht erfüllten. MedForte Research erwarb die Rechte von Symbion und ging später eine Partnerschaft mit dem University Medical Center in Tucson, Arizona ein. Diese beiden Organisationen bildeten später das CardioWest Herz. Infolgedessen wurde das Jarvik 7 dann 1991 in Cardiowest Total Artificial Heart umbenannt. Im Jahr 2004 erhielt das Cardiowest TAH die FDA-Zulassung für die Bridge-to-Transplant-Indikation. Überbrückung bis zur Transplantation bedeutet, dass das Kunstherz nur so lange eingesetzt wird, bis ein menschliches Herz für eine Transplantation gefunden werden kann. Einige Jahre später wurde das CardioWest TAH 2010 erneut umbenannt in „das SynCardia temporary“ TAH. Klinische Studien zeigten Überlebensraten von „79% vs. 46%“ im Vergleich zur Kontrollgruppe . Die Überlebensraten 1 und 5 Jahre nach der Transplantation betrugen „86% und 64%“ . Diese Statistiken erwiesen sich als positiv, wenn man sie mit den Statistiken des United Network of Organ Sharing vergleicht.

Nach dem SynCardia Provisorium entstand das AbioCor TAH. Dabei handelt es sich um das erste „in sich geschlossene interne Kunstherz“ . Forscher studierten und testeten dieses Gerät 30 Jahre lang. Klinische Studien begannen 2001 und im selben Jahr wurde das Gerät in einen Menschen implantiert. Der AbioCor wurde dann 2006 von der FDA zugelassen. Das Einzigartige an diesem Gerät ist, dass es keine subkutanen Verbindungen benötigt, was bedeutet, dass der Patient nicht an „externe Luftpumpenmaschinen über Schläuche oder Drähte angeschlossen werden muss, die die Hautoberfläche durchstoßen“. Der AbioCor TAH wiegt 2 Pfund und besteht aus vier Teilen, die in den menschlichen Körper implantiert werden. Diese vier Teile sind: elektronische Steuerung, Thoraxeinheit, Lithiumbatterie und transkutanes Energieübertragungsgerät (TET) . Dazu gehören auch „zwei künstliche Herzkammern und entsprechende Ventile“. Dieses System hat eine hydraulische Pumpe, die von einem Motor angetrieben wird und den menschlichen Herzschlag nachahmt. Die Batterie, die in den menschlichen Körper implantiert ist, wird kontinuierlich durch das TET und eine externe Batterie aufgeladen. Der TET leitet die Energie über die Haut weiter. Die interne Batterie hat eine Laufzeit von bis zu 30 Minuten, während die externe Batterie bis zu 4 Stunden halten kann. Es ist zu beachten, dass das AbioCor-System nur für Patienten mit biventrikulärer Herzinsuffizienz geeignet ist. Biventrikuläre Herzinsuffizienz tritt auf, wenn sowohl die linke als auch die rechte Herzkammer nicht genügend Blut pumpen, um den Körper zu versorgen. Grundsätzlich hatte die FDA zugestimmt, dass der AbioCor nur im Rahmen der Humanitarian Device Exception (HDE) eingesetzt werden darf. Nach dieser Ausnahme wurde nur ein einziger Patient mit einem AbioCor transplantiert, der später aufgrund von Komplikationen durch „Thromboembolien und Vorhofabsaugungen“ nicht mehr produziert wurde.

Im März 2010 brachte SynCardia den tragbaren Freedom Driver auf den Markt. Mit diesem Gerät sind die Patienten nicht mehr durch die große pneumatische Konsole an ein Krankenhaus gebunden. Dies ermöglicht den Patienten Freiheit und die Fähigkeit, ihr Leben nach der Transplantation eines Kunstherzens normal zu leben. Nach dem Erhalt eines Kunstherzens sind die Patienten normalerweise an das Krankenhaus gebunden und müssen auf einen menschlichen Herzspender warten. Dies schränkt die Lebensqualität ein und verursacht Kosten für die Patienten. Außerdem haben die Krankenhäuser nicht die Ressourcen, um das aktuelle Protokoll aufrechtzuerhalten. Der tragbare Freedom Driver wiegt 13 Pfund und ist im Grunde ein „kolbenbetriebener pneumatischer Kompressor“, der das TAH mit Druck versorgt. Die Beatmungsrate ist der einzige Parameter, der einstellbar ist und vor dem Anschluss an den Patienten berechnet wird. Der Zweck der Beatmungsrate ist es, die Ventrikel teilweise zu füllen. Dadurch erzeugt der TAH-Ausgang einen Frank-Starling-Effekt. Von einem Frank-Starling-Effekt spricht man, wenn das „Schlagvolumen“ des Herzens ansteigt, weil sich das Herz mit Blut gefüllt hat. Die zusätzliche Blutmenge bewirkt eine Ausdehnung der Ventrikelwand, was wiederum den Herzmuskel zu einer kräftigen Kontraktion veranlasst. Nach der Frank-Starling-Antwort schieben Elektromotoren im Gerät den Kolben an, um die Rückflussmenge zu ermöglichen. Der Patient kann den tragbaren Freiheitstreiber einfach in jeder Steckdose aufladen, sogar über den Zusatzanschluss eines Autos. Patienten haben sogar die Möglichkeit, mit diesem Gerät zu baden. Das Gerät enthält Lithiumbatterien, die für 3 h halten. Dieses einzigartige Gerät ermöglicht es den Empfängern des TAH, während ihrer Wartezeit auf einen menschlichen Herzspender ambulant zu sein. Sie wären nicht mehr auf das Krankenhaus beschränkt.

Es sollte angemerkt werden, dass das künstliche Herz zwar eine erstaunliche Errungenschaft ist, die gemacht wurde, aber auch extrem kostspielig ist. Es kann zwischen 190.000 und 220.000 Dollar kosten. Mehr als 600 Patienten wurden bereits mit dem SynCardia TAH transplantiert. Diese Menge ist im Vergleich zu den fast 15 Patienten, die das AbioCor TAH erhalten haben, von großer Bedeutung. Die SynCardia ist die am häufigsten verwendete TAH, die 93% der weltweiten Verwendung dieses Geräts ausmacht. Es ist die erfolgreichste TAH und übertrifft „116 Patientenjahre Geräteunterstützung“.