Review of Literature and Discussion
De theorie van de “mechanische ondersteuning van de bloedsomloop” werd voor het eerst in 1812 door Julien Jean Cesar LeGallois als hypothese geformuleerd. Zijn hypothese zou echter pas in de 21e eeuw werkelijkheid worden. Bijna een eeuw na de theorie van LeGallois bundelde het onvoorziene paar Charles Lindbergh en Alexis Carrel in de jaren 1920 hun krachten om mechanische ondersteuning van de bloedsomloop te bevorderen. Lindbergh was een uitvinder die vandaag vooral bekend is als vliegenier die over de Atlantische Oceaan vloog, terwijl Carrel een chirurg was die de Nobelprijs won voor zijn innovaties op het gebied van orgaantransplantatie . Carrel was er niet zeker van dat tijdens het uitvoeren van een hartoperatie een externe bloedpomp het menselijk lichaam zou kunnen ondersteunen. Lindbergh bekeek de problemen die Carrel had en ging verschillende van zijn eigen bloedpompen maken die niet succesvol bleken te zijn. Het kostte hem een paar jaar, maar uiteindelijk maakte hij een bloedpomp die wel werkte. Lindbergh maakte ook een centrifuge waarmee bloedplasma op een veilige manier kon worden afgescheiden. Na deze innovatie creëerden Carrel en Lindbergh een “in vitro kunsthart-achtig” apparaat om organen in leven te houden wanneer deze uit het lichaam waren verwijderd. Enkele organen die zij verwijderden waren nieren, harten, schildklieren en eierstokken. Deze organen werden na verwijdering gecontroleerd om hun ontwikkeling en functie te observeren. Vroege innovaties zoals een externe bloedpomp en een apparaat vergelijkbaar met dat van een kunsthart zette de wens in beweging om een totaal kunsthart te maken.
Daarna, in 1937, ontwikkelde Dr. Vladimir P. Demikhov een totaal kunsthart (TAH) apparaat en voerde de eerste kransslagader bypass operatie en intrathoracale transplantatie in de wereld uit . Het door hem ontwikkelde TAH bestond uit twee pompen, naast elkaar, die werden aangedreven door een “externe motor met een transcutane aandrijfas” . Dit apparaat werd getransplanteerd in een hond die 5,5 uur na de operatie in leven bleef. Zijn experimenten waren de eerste van dit soort en hij testte vooral op honden. In 1946 transplanteerde Dr. Demikhov gelijktijdig een hart en een long, hetgeen succesvol bleek. Hij was in staat deze operaties uit te voeren zonder gebruik te maken van een cardiopulmonaire bypass. In plaats van de cardiopulmonaire bypass voerde Dr. Demikhov de operatie snel uit en gebruikte hij zijn eigen methode om de organen tijdens de transplantatie te conserveren. In juni 1946 voerde hij een heterotope hart-long transplantatie uit op een hond gedurende 9,5 uur, hetgeen een mijlpaal was in zijn experimenten. De dieren waarop Dr. Demikhov experimenteerde overleefden meestal 30 dagen na de operatie. De hart-longpreparaten van Dr. Demikhov’s donor werden tijdens de transplantatie bewaard door gebruik te maken van “circulatie in een gesloten circuit”. “Bloed uit de linker hartkamer werd in de aorta gepompt; vervolgens ging het via de kransslagaders die de hartspier van bloed voorzagen naar de rechter hartboezem, de rechter hartkamer en de longen, waar het bloed weer zuurstof kreeg en naar de linker hartboezem werd teruggevoerd”. In juli 1953 bereikte hij een mijlpaal door de eerste succesvolle coronaire bypassoperatie op een hond uit te voeren. De International Society for Heart and Lung Transplantation kende in 1989 de “eerste Pioneer Award” toe aan Dr. Demikhov voor “de ontwikkeling van intrathoracale transplantatie en het gebruik van kunstharten” . Kortom, Dr. Demikhov was een pionier die zijn ideeën over het hart tot werkelijkheid heeft gebracht en die nu regelmatig in de geneeskunde worden toegepast.
Een paar jaar na Dr. Demikhov in 1939 assisteerde Dr. John H. Gibbon, Jr. uit de Verenigde Staten een andere arts bij een spoedoperatie van een pulmonale embolectomie, waarbij een patiënt het bewustzijn verloor doordat tijdens een openhartoperatie bloedstolsels werden verwijderd. Hij bedacht dat als er een apparaat was dat bloed uit het lichaam van de patiënt kon verwijderen en daarbij de longen kon vermijden, zuurstof aan het lichaam kon toedienen en vervolgens naar het hart kon terugvoeren, de patiënt nog in leven zou zijn. Deze gebeurtenis wakkerde zijn passie aan om de hart-longmachine te ontwikkelen. In de daaropvolgende jaren ontwikkelde Dr. Gibbon een apparaat dat werd bestudeerd op laboratoriumratten. De laboratoriumratten overleefden de totale lichaamsperfusie-experimenten en dit onderzoek werd in 1939 gepubliceerd. Jaren later ging Dr. Gibbon werken voor het Jefferson Medical College waar hij samenwerkte met IBM om aan zijn apparaat te werken dat na ontwikkeling werd geïntroduceerd als IBM Model I. Dit apparaat was succesvol bij gebruik op honden; het gebruik op mensen was echter beperkt. In 1952 werd het Model II hart-longapparaat uitgebracht voor gebruik bij mensen. Hoewel het apparaat goed ontworpen was, stierf een baby van iets meer dan een jaar oud, de eerste patiënt, terwijl de operatie plaatsvond. In 1953 werd het apparaat gebruikt op nog twee kinderen, die ook overleden. Hierna stopte Dr. Gibbon al het werk met het apparaat. In juli 1954, na verder onderzoek naar stolsels en bloedverlies, werd het apparaat vernieuwd en Model III werd door IBM uitgebracht. Dr. Gibbon deelde zijn apparaat echter al in 1953 met de Mayo Kliniek, die het apparaat verder ontwikkelde en het de naam “Mayo Gibbon-type oxygenator” gaf, waarmee honderden patiënten werden gered.
In 1948 wilde William H. Sewell, Jr., een medisch student aan de Yale University een kunsthart bouwen voor zijn scriptie om te kunnen afstuderen aan de medische faculteit. Dr. Sewell had gezien hoe Dr. Gibbon en anderen vooruitgang boekten in de cardiologie. Dr. Gibbon had in feite een hart-longmachine gemaakt om tijdens hartoperaties in de plaats van het hart en de longen te kunnen werken; toen Dr. Sewell echter met zijn onderzoek begon, waren er nog geen hartoperaties met een pomp-zuurstofmachine uitgevoerd. Hij dacht dat de longen van de patiënt konden worden gebruikt om het bloed van zuurstof te voorzien tijdens een hartoperatie en dat bijgevolg slechts één of twee pompen nodig zouden zijn in plaats van het hart. Dr. Sewell ontwierp zijn pomp zo dat hij om de rechterzijde van het hart heen zou gaan. Bij zijn eerste proeven had hij geen succes. Zijn experimenten mislukten omdat hij het bloed niet door een rubberen slang kon persen met behulp van een rolpomp. Hij besloot toen om gas onder druk te gebruiken om kracht te creëren. Dr. Sewell bestudeerde ook de methoden die verschillende onderzoekers hadden gebruikt, maar ook zij konden geen bloed door een pompkamer persen. Dr. Sewell ontwierp toen een “pneumatisch aangedreven pomp” . Deze pomp bestond uit een “buisvormige glazen pompkamer met een zijarm die verbonden was met een perslucht- en vacuümbron en een rubberen blaas gemaakt van versterkte Penrose-buizen die op hun plaats werden gehouden door geperforeerde rubberen stoppers”. De pompkamer werd beschermd door kleppen met rubberen flappen en zoog bloed uit de rechterboezem via een canule naar de longslagader. Excentrische nokken en verzwaarde armen met schoepen controleerden de timing van perslucht en afzuiging aangezien de schoepen de kleine rubberen buisjes stopten en weer loslieten, hetgeen resulteerde in perslucht- en vacuümbronnen. Deze methode bleek succesvol voor Dr. Sewell’s pomp en hij won de scriptieprijs van zijn medische school voor deze prestatie.
In het voetspoor van hun voorgangers waren Dr. Tetsuzo Akutsu en Dr. Willem Kolff van de Cleveland Clinic in de Verenigde Staten de eersten die met succes een TAH implanteerden bij een dier dat 1,5 uur bleef leven in 1957. Deze beide artsen waren experts in het ontwikkelen van TAH’s en ontvingen veel lofbetuigingen. Enkele jaren later, in 1952, creëerde Domingo Liotta uit Argentinië zijn eigen modellen die vergelijkbaar waren met die van Dr. Tetsuzo en Dr. Kolff. Zijn modellen verhoogden de overlevingstijd tot 13 uur. Liotta ging vervolgens samenwerken met Dr. Michael DeBakey van de Baylor-universiteit in de Verenigde Staten, die in 1983 een apparaat ontwikkelde met een rolpomp waarmee constant bloed kon worden toegediend. In 1963 voerde Liotta de “eerste klinische implantatie van een pulserend linkerventrikelhulpsysteem” uit. Een paar jaar later, in 1969, voerde Dr. Denton Cooley de “eerste TAH” transplantatie uit bij een mens . Dr. Cooley werkte ook samen met Domingo Liotta. Zij werkten samen aan de ontwikkeling van het kunsthart dat Liotta aanvankelijk had gemaakt. De rekbare barrière van het hart werd gemaakt van Dacron, een elastisch materiaal. Een netachtige textuur werd gebruikt om vasculaire transplantaten te imiteren. Wada-Cutter scharnierloze kleppen werden gebruikt vanwege hun wijde opening die een gemakkelijke doorstroming mogelijk maakte. Er waren enkele problemen met deze kleppen die voordelig bleken te zijn omdat de kleppen een ontsluiting veroorzaakten die trombusvorming ontmoedigde. Ironisch genoeg was trombusvorming een probleem in alle TAH’s die hierna uitkwamen. Dr. Cooley en Liotta vroegen vervolgens advies aan een ingenieur om een “pneumatische aandrijfconsole” te creëren. Met een “pneumatische aandrijfconsole” kon hun nieuwe ontwerp van het kunsthart bij mensen worden gebruikt. Daarna werd dit apparaat geïmplanteerd bij een 47-jarige man die bijna arbeidsongeschikt was en al 10 jaar hartaanvallen had gehad. Deze patiënt kreeg dit apparaat, de eerste TAH in 1969 en het leek aanvankelijk in orde; zijn nierfunctie begon echter af te nemen en er ontstond hemolyse. Er moest een donor worden gevonden voor een menselijke harttransplantatie 64 uur na de eerste operatie en de patiënt overleed 32 uur na de menselijke harttransplantatie aan een longontsteking. De patiënt stierf voornamelijk als gevolg van anti-afstoting. Hoewel de patiënt stierf, leerde Dr. Cooley dat menselijke circulatie door een mechanisch apparaat de potentie had om succesvol te zijn.
In de tijdlijn van gebeurtenissen rond de vooruitgang van het kunsthart, zijn de volgende personen het middelpunt van een controverse geweest. Paul Winchell beweert dat hij de eerste was die het kunsthart heeft uitgevonden en dat Dr. Robert Jarvik zijn ideeën heeft gekopieerd om het Jarvik-hart uit te vinden. Bij onderzoek bleek echter dat hij niet de eerste was, omdat er al eerder patenten waren aangevraagd dan Winchell.
Dr. Robert Jarvik staat bekend om zijn werk aan het eerste permanente kunsthart dat succesvol bleek te zijn. Hij heeft van alle eerdere uitvinders de meeste bijval gekregen. In 1982 werd het eerste permanente kunsthart getransplanteerd in een 61-jarige patiënt genaamd Barney Clark door chirurgen van de Universiteit van Utah. Dr. Willem Kolff, die al eerder werd genoemd, leidde het team dat aan dit kunsthart werkte. Nadat hij in 1967 de Cleveland Clinic had verlaten, ging Dr. Kolff werken aan de Universiteit van Utah. Het is daar dat hij in 1971 Robert Jarvik ontmoette en in dienst nam bij zijn studieteam, dat werkte aan de ontwikkeling van kunstmatige organen. Dr. Kolff had de traditie om de kunstharten te vernoemen naar de onderzoekers die eraan werkten. Robert Jarvik werkte toevallig aan het kunsthart en daarom kwam het bekend te staan als de Jarvik 7. Dr. Jarvik was pas 35 jaar oud toen hij beroemd werd en kreeg alle eer voor deze uitvinding, simpelweg omdat het naar hem werd vernoemd en Dr. Kolff in de vergetelheid is geraakt . Vóór de eerste succesvolle transplantatie in 1982, werd de Jarvik 7 getest in klinische proeven. Barney Clark, de eerste ontvanger van de Jarvik 7 leefde 112 dagen na de transplantatie. De tweede ontvanger leefde 620 dagen. Van de drie volgende ontvangers stierf er één aan bloedverlies en leefden de andere twee nog 10 en 14 maanden. In wezen stierven alle patiënten aan verschillende complicaties, zoals multi-orgaanfalen, beroerte en infectie, om er maar een paar te noemen. Het belangrijkste probleem met de Jarvik 7 was dat er een “grote pneumatische console” nodig was voor de behandeling en dat de patiënt het ziekenhuis daarom niet kon verlaten. Dit voorbehoud zou niet toestaan dat de Jarvik 7 een permanent kunstmatig hartimplantaat zou zijn.
In essentie had de Jarvik 7 twee “luchtgedreven pompen” die de functie van het hart kopieerden op 40 – 120 bpm (slagen per minuut) . Elke kamer had een “schijf-achtig mechanisme” dat was gemaakt van polyurethaan dat het bloed door de Jarvik 7 duwde van de instroomklep naar de uitstroomklep. Manchetten werden gebruikt om de Jarvik 7 aan de natuurlijke atria van het hart vast te maken. De manchetten werden bevestigd met aandrijflijnen die van versterkt polyurethaan waren gemaakt. De aandrijflijnen waren ook gecoat om weefselgroei te bevorderen. De aandrijflijnen werden via de linkerzijde van de patiënt ingebracht. Een grote elektronische eenheid ter grootte van een koelkast voorzag de Jarvik van stroom om hem te laten werken. Deze eenheid regelde ook de “pompsnelheid, de pompdruk en andere essentiële functies met behulp van elektriciteit, perslucht en een vacuüm” . De Jarvik 7 werd later omgedoopt tot het Cardiowest Total Artificial Heart. De reden hiervoor is dat Symbion, dat het apparaat oorspronkelijk produceerde, in 1990 de productie stopzette omdat zij zich niet aan de FDA-vereisten hielden. MedForte Research verkreeg de rechten van Symbion en ging later een samenwerkingsverband aan met het University Medical Center in Tucson, Arizona. Deze twee organisaties vormden samen het CardioWest-hart. Bijgevolg werd de Jarvik 7 in 1991 omgedoopt tot het Cardiowest Total Artificial Heart . In 2004 kreeg het Cardiowest TAH de goedkeuring van de FDA voor indicaties voor overbrugging naar transplantatie. Overbrugging tot transplantatie betekent in feite dat het kunsthart alleen op zijn plaats is totdat een echt menselijk hart kan worden gevonden voor transplantatie. Enkele jaren later werd de CardioWest TAH in 2010 opnieuw omgedoopt tot “de SynCardia tijdelijke” TAH. Klinische proeven toonden aan dat de overlevingspercentages “79% vs. 46%” bedroegen wanneer ze werden vergeleken met de controlegroep. De overlevingspercentages 1 en 5 jaar na de transplantatie waren “86% en 64%” . Deze statistieken bleken positief te zijn in vergelijking met die van het United Network of Organ Sharing.
Na de tijdelijke SynCardia kwam de AbioCor TAH. Dit is het eerste “autonome interne kunsthart” . Onderzoekers hebben dit apparaat 30 jaar lang bestudeerd en getest. De klinische tests begonnen in 2001 en nog datzelfde jaar werd het apparaat bij een mens geïmplanteerd. De AbioCor werd in 2006 goedgekeurd door de FDA. Uniek aan dit apparaat is dat het geen onderhuidse verbindingen vereist, wat betekent dat de patiënt niet hoeft te worden aangesloten op “externe luchtpompmachines via buizen of draden die het huidoppervlak doorboren”. De AbioCor TAH weegt 2 pond en bestaat uit vier onderdelen die in het menselijk lichaam worden geïmplanteerd. Deze vier onderdelen zijn: elektronische controller, thoraxeenheid, lithiumbatterij, en transcutane energieoverdrachtsapparaat (TET) . Dit omvat ook “twee kunstmatige hartkamers en bijbehorende kleppen”. Dit systeem heeft een hydraulische pomp die door een motor wordt aangedreven en de menselijke hartslag nabootst. De batterij die in het menselijk lichaam is geïmplanteerd, wordt voortdurend opgeladen door het TET en een externe batterij. De TET geeft energie door via de huid. De interne batterij heeft een energiecapaciteit van 30 minuten, terwijl de externe batterij tot 4 uur meegaat. Het AbioCor-systeem is alleen geschikt voor patiënten met biventriculair hartfalen. Biventriculair hartfalen treedt op wanneer zowel de linker- als de rechterkamer niet voldoende bloed rondpompen om het lichaam te onderhouden. In principe had de FDA toegestaan dat de AbioCor alleen zou worden gebruikt onder de Humanitarian Device Exception (HDE) . Na deze uitzondering werd slechts één patiënt getransplanteerd met een AbioCor en het apparaat ging later uit productie als gevolg van complicaties door “trombo-embolie en atriale suck-down gebeurtenissen” .
In maart 2010 bracht SynCardia de draagbare vrijheidsdriver uit . Met dit apparaat zullen patiënten niet langer aan een ziekenhuis gekluisterd zijn vanwege de grote pneumatische console. Dit geeft patiënten vrijheid en de mogelijkheid om hun leven normaal te leiden nadat ze een kunsthart hebben gekregen. Nadat patiënten een kunsthart hebben ontvangen, zijn ze normaal gesproken gebonden aan het ziekenhuis in afwachting van een menselijke hartdonor. Dit vermindert de kwaliteit van leven en brengt kosten voor de patiënten met zich mee. Bovendien beschikken ziekenhuizen niet over de middelen om het huidige protocol te handhaven. De draagbare vrijheidsdrijver weegt 13 pond en is in feite een “zuiger-aangedreven pneumatische compressor” die druk levert aan de TAH. De slagfrequentie is de enige parameter die instelbaar is en wordt berekend voordat hij op de patiënt wordt aangesloten. Het doel van de slagfrequentie is de ventrikels gedeeltelijk te vullen. De TAH-uitvoer produceert dus een Frank Starling-effect. Van een Frank Starling-effect is sprake wanneer “het slagvolume” van het hart toeneemt omdat het hart met bloed is gevuld. Door de extra hoeveelheid bloed zet de ventrikelwand uit, waardoor de hartspier krachtig gaat samentrekken. Na de Frank Starling reactie, elektromotoren in het apparaat duwt de zuiger om back-up overbodigheid mogelijk te maken . De patiënt kan de draagbare vrijheidsbestuurder gemakkelijk opladen in elk stopcontact, zelfs via de aux-poort van een auto. Patiënten hebben zelfs de mogelijkheid om met dit apparaat een bad te nemen. Het apparaat bevat lithiumbatterijen die 3 uur meegaan. Dankzij dit unieke apparaat kunnen de ontvangers van de TAH ambulante patiënten zijn tijdens hun wachttijd op een menselijke hartdonor. Zij zijn niet langer gebonden aan het ziekenhuis.
Het moet worden opgemerkt dat, hoewel het kunsthart een verbazingwekkende prestatie is die is geleverd, het ook zeer kostbaar is. Het kan tussen de $190.000 en $220.000 kosten. Meer dan 600 patiënten zijn getransplanteerd met de SynCardia TAH. Deze hoeveelheid is zeer aanzienlijk in vergelijking met de bijna 15 patiënten die de AbioCor TAH ontvingen. De SynCardia is de meest gebruikte TAH, die 93% van het wereldwijde gebruik van dit apparaat uitmaakt. Het is de meest succesvolle TAH en overschrijdt “116 patiëntjaren van apparaatondersteuning” .