Rassegna della letteratura e discussione
La teoria del “supporto circolatorio meccanico” fu ipotizzata per la prima volta da Julien Jean Cesar LeGallois nel 1812. Tuttavia, la sua ipotesi non sarebbe diventata una realtà fino al 21° secolo. Quasi un secolo dopo la teoria di LeGallois, l’accoppiamento imprevisto di Charles Lindbergh e Alexis Carrel ha unito le forze per far progredire il supporto circolatorio meccanico nel 1920. Lindbergh era un inventore che è principalmente conosciuto oggi come un aviatore che ha sorvolato l’Atlantico, mentre Carrel era un chirurgo che ha vinto il premio Nobel per le sue innovazioni nel trapianto di organi. Carrel era incerto sul fatto che durante un’operazione al cuore, una pompa di sangue esterna potesse sostenere il corpo umano. Lindbergh ha esaminato i problemi che Carrel stava avendo e ha continuato a creare diverse sue pompe di sangue che si sono rivelate fallimentari. Gli ci vollero alcuni anni, ma alla fine creò una pompa per il sangue che funzionava davvero. Lindbergh creò anche una centrifuga che poteva separare in modo sicuro il plasma sanguigno. Dopo questa innovazione, Carrel e Lindbergh crearono un dispositivo “simile a un cuore artificiale in vitro” per mantenere in vita gli organi quando vengono rimossi dal corpo. Alcuni organi rimossi erano reni, cuori, ghiandole tiroidee e ovaie. Questi organi sono stati monitorati dopo la rimozione per osservare il loro sviluppo e la loro funzione. Le prime innovazioni come una pompa del sangue esterna e un dispositivo simile a quello di un cuore artificiale misero in moto il desiderio di creare un cuore artificiale totale.
Successivamente nel 1937, il Dr. Vladimir P. Demikhov sviluppò un dispositivo di cuore artificiale totale (TAH) ed eseguì il primo intervento di bypass coronarico e trapianto intratoracico nel mondo. Il TAH da lui sviluppato era composto da due pompe, una accanto all’altra, azionate da un “motore esterno con un albero di trasmissione transcutaneo”. Questo dispositivo fu trapiantato in un cane che continuò a vivere 5,5 ore dopo l’operazione. I suoi esperimenti furono i primi di questo tipo e li fece principalmente sui cani. Nel 1946 il Dr. Demikhov trapiantò simultaneamente un cuore e un polmone, con successo. Fu in grado di fare queste operazioni senza usare un bypass cardiopolmonare. Al posto del bypass cardiopolmonare, il Dr. Demikhov eseguì la chirurgia rapidamente e usò il suo metodo personale per preservare gli organi durante il trapianto. Nel giugno 1946, eseguì un trapianto eterotopico cuore-polmoni su un cane per 9,5 ore, che fu un punto di riferimento nei suoi esperimenti. Gli animali sperimentati dal Dr. Demikhov di solito sopravvivevano 30 giorni dopo l’operazione. I preparati cuore-polmone del donatore del Dr. Demikhov sono stati conservati durante il trapianto utilizzando la “circolazione a circuito chiuso”. “Il sangue dal ventricolo sinistro veniva pompato nell’aorta; poi, attraverso i vasi coronari che rifornivano il miocardio, passava nell’atrio destro, nel ventricolo destro e nei polmoni, dove il sangue veniva riossigenato e ritornava nell’atrio sinistro”. Nel luglio 1953, raggiunse una pietra miliare eseguendo il primo intervento di bypass coronarico di successo su un cane. La Società Internazionale per il Trapianto di Cuore e Polmone ha assegnato il “primo Premio Pioniere” al Dr. Demikhov nel 1989 per “lo sviluppo del trapianto intratoracico e l’uso di cuori artificiali” . In sintesi, il Dr. Demikhov è stato un pioniere che ha sviluppato le sue idee sul cuore in realtà che sono ora regolarmente utilizzate in medicina.
Alcuni anni dopo il Dr. Demikhov nel 1939, il Dr. John H. Gibbon, Jr. degli Stati Uniti stava assistendo un altro medico in un’embolectomia polmonare di emergenza in cui un paziente ha perso conoscenza a causa di coaguli di sangue rimossi in un intervento a cuore aperto. Pensò che se ci fosse stato qualche dispositivo in grado di eliminare il sangue dal corpo del paziente evitando i polmoni, ossigenare il corpo e poi tornare al cuore, il paziente sarebbe stato ancora vivo. Questo evento ha alimentato la sua passione per creare la macchina cuore-polmone. Nel corso degli anni successivi, il dottor Gibbon sviluppò un apparecchio che fu studiato sui topi da laboratorio. I topi di laboratorio sopravvissero agli esperimenti di perfusione totale del corpo e questa ricerca fu pubblicata nel 1939. Anni dopo, il Dr. Gibbon continuò a lavorare per il Jefferson Medical College dove collaborò con IBM per lavorare sul suo dispositivo che, dopo lo sviluppo, fu introdotto come IBM Modello I. Questo dispositivo ebbe successo quando fu usato sui cani; tuttavia, l’uso fu limitato sugli esseri umani. Nel 1952, il modello II del dispositivo cuore-polmone è stato rilasciato per essere utilizzato sugli esseri umani. Anche se la macchina era ben progettata, un bambino di poco più di un anno, il primo paziente, morì mentre l’operazione era in corso. Nel 1953, il dispositivo fu usato su altri due bambini che morirono anch’essi. Dopo questo, il Dr. Gibbon interruppe tutto il lavoro con il dispositivo. Nel luglio 1954, dopo ulteriori ricerche sui coaguli e la perdita di sangue, il dispositivo è stato rinnovato e il modello III è stato rilasciato da IBM. Tuttavia, il dottor Gibbon aveva già condiviso il suo dispositivo con la Mayo Clinic nel 1953 e hanno continuato a far progredire il dispositivo, chiamandolo “Mayo Gibbon-tipo ossigenatore”, che ha continuato a salvare centinaia di pazienti
Nel 1948, William H. Sewell, Jr, uno studente di medicina presso l’Università di Yale cercato dopo la costruzione di un cuore artificiale per la sua tesi di laurea dalla scuola medica. Il Dr. Sewell aveva visto il Dr. Gibbon e altri fare progressi in cardiologia. Il Dr. Gibbon aveva fondamentalmente creato una macchina cuore-polmoni per funzionare al posto del cuore e dei polmoni durante le operazioni al cuore; tuttavia, quando il Dr. Sewell iniziò la sua ricerca, nessuna operazione al cuore utilizzando una pompa-ossigenatore era stata prodotta. Egli pensò che i polmoni del paziente potessero essere usati per ossigenare il sangue durante un’operazione al cuore e di conseguenza solo una singola o un paio di pompe sarebbero state necessarie al posto del cuore. Il Dr. Sewell progettò la sua pompa in modo che girasse intorno al lato destro del cuore. Nei suoi primi esperimenti, non ebbe successo. I suoi esperimenti fallirono perché non poteva spingere il sangue attraverso i tubi di gomma usando una pompa a rulli. Decise allora di usare un gas pressurizzato per creare forza. Il Dr. Sewell studiò anche i metodi che diversi ricercatori avevano usato, ma anche questi non muovevano il sangue attraverso una camera di pompaggio. Il Dr. Sewell ha quindi progettato una “pompa azionata pneumaticamente”. Questa pompa era composta da “una camera di pompaggio tubolare di vetro con un braccio laterale collegato ad una fonte di aria compressa e vuoto e una vescica di gomma fatta di tubi di Penrose rinforzati tenuti in posizione da tappi di gomma perforati”. La camera di pompaggio era protetta da valvole di gomma e aspirava il sangue dall’atrio destro nell’arteria polmonare attraverso una cannula. Camme eccentriche e bracci ponderati con lame controllavano la tempistica dell’aria compressa e dell’aspirazione poiché le lame fermavano e rilasciavano i piccoli tubi di gomma che davano luogo a fonti di aria compressa e vuoto. Questo metodo si dimostrò vincente per la pompa del Dr. Sewell, che vinse il premio di tesi della sua scuola di medicina per questo risultato.
Seguendo le orme dei loro predecessori, il Dr. Tetsuzo Akutsu e il Dr. Willem Kolff della Cleveland Clinic negli Stati Uniti furono i primi a impiantare con successo una TAH in un animale che continuò a vivere per 1,5 ore nel 1957. Entrambi questi medici erano esperti nello sviluppo di TAH e hanno ricevuto molti riconoscimenti. Alcuni anni dopo, nel 1952, Domingo Liotta, in Argentina, creò i suoi modelli simili a quelli del Dr. Tetsuzo e del Dr. Kolff. I suoi modelli aumentarono il tempo di sopravvivenza fino a 13 ore. Liotta ha poi collaborato con il Dr. Michael DeBakey della Baylor University negli Stati Uniti, che nel 1983 ha sviluppato un dispositivo che utilizza una pompa a rullo in grado di trasfondere sangue costantemente. Nel 1963, Liotta realizzò il “primo impianto clinico di un dispositivo di assistenza ventricolare sinistra pulsatile”. Qualche anno dopo, nel 1969, il dottor Denton Cooley eseguì il “primo trapianto di TAH” in un essere umano. Il dottor Cooley lavorava anche con Domingo Liotta. Stavano lavorando insieme per far progredire il cuore artificiale che Liotta aveva inizialmente creato. La barriera elastica del cuore era costituita da silicone contenente Dacron. Una struttura a rete fu usata per imitare gli innesti vascolari. Le valvole senza cerniere Wada-Cutter sono state utilizzate a causa della loro ampia apertura che ha permesso un flusso facile. Ci sono stati alcuni problemi con queste valvole che si sono rivelati vantaggiosi perché le valvole hanno causato una sboccatura che ha scoraggiato la formazione di trombi. Ironia della sorte, la formazione di trombi era un problema in tutte le TAH uscite dopo questo. Il Dr. Cooley e Liotta hanno poi cercato la consulenza di un ingegnere per creare una “console a comando pneumatico”. Una “console di azionamento pneumatico” ha permesso al loro nuovo design del cuore artificiale di essere utilizzato negli esseri umani. In seguito, questo dispositivo è stato impiantato in un uomo di 47 anni che era quasi inabile e aveva una storia di attacchi di cuore da 10 anni. Questo paziente ha ricevuto questo dispositivo, il primo TAH nel 1969 e sembrava bene all’inizio; tuttavia, la sua funzione renale ha iniziato a diminuire e l’emolisi è iniziata. È stato necessario trovare un donatore per un trapianto di cuore umano 64 ore dopo l’intervento iniziale e il paziente è morto 32 ore dopo il trapianto di cuore umano a causa di una polmonite. Il paziente è morto principalmente a causa dell’antirigetto. Anche se il paziente morì, il Dr. Cooley imparò che la circolazione umana tramite un dispositivo meccanico aveva il potenziale per avere successo.
Nella linea temporale degli eventi del progresso del cuore artificiale, i prossimi individui sono stati al centro di una controversia. Paul Winchell sostiene di essere stato il primo ad aver inventato il cuore artificiale e che il dottor Robert Jarvik ha copiato le sue idee per inventare il cuore Jarvik. Tuttavia, dopo una ricerca si è scoperto che non era il primo perché i brevetti precedenti erano stati depositati prima di quello di Winchell.
Il dottor Robert Jarvik è famoso per il suo lavoro sul primo cuore artificiale permanente che ha avuto successo. Ha ricevuto il maggior numero di consensi tra tutti gli inventori precedenti. Nel 1982, il primo cuore artificiale permanente è stato trapiantato in un paziente di 61 anni chiamato Barney Clark dai chirurghi dell’Università dello Utah. Il dottor Willem Kolff, che è stato menzionato prima, ha guidato il team che ha lavorato su questo cuore artificiale. Dopo aver lasciato la Cleveland Clinic nel 1967, il dottor Kolff andò a lavorare all’Università dello Utah. È lì che nel 1971 ha incontrato e assunto Robert Jarvik nel suo studio a vapore, che stava lavorando per sviluppare organi artificiali. Il Dr. Kolff aveva la tradizione di chiamare i cuori artificiali con il nome dei ricercatori che ci stavano lavorando. Robert Jarvik stava lavorando sul cuore artificiale e quindi fu conosciuto come il Jarvik 7. Il dottor Jarvik aveva solo 35 anni quando è diventato famoso e ha ricevuto tutto il credito per questa invenzione semplicemente perché è stato chiamato con il suo nome e il dottor Kolff è stato dimenticato. Prima del suo primo trapianto di successo nel 1982, il Jarvik 7 fu testato in prove cliniche. Barney Clark, il primo destinatario della Jarvik 7 ha vissuto per 112 giorni dopo il trapianto. Il secondo ricevente continuò a vivere per 620 giorni. Nei tre riceventi successivi, uno morì per perdita di sangue, e gli altri due vissero per 10 e 14 mesi. Essenzialmente, tutti i pazienti sono morti a causa di diverse complicazioni come l’insufficienza multiorgano, l’ictus e l’infezione, per citarne alcune. Il problema principale del Jarvik 7 era che una “grande console pneumatica” era necessaria per il trattamento e quindi il paziente non poteva lasciare l’ospedale. Questo avvertimento non permetteva al Jarvik 7 di essere un impianto permanente di cuore artificiale.
In sostanza, il Jarvik 7 aveva due “pompe ad aria” che copiavano la funzione del cuore a 40 – 120 bpm (battiti al minuto). Ogni camera aveva un “meccanismo a disco” fatto di poliuretano che spingeva il sangue attraverso la Jarvik 7 dalla valvola di afflusso a quella di uscita. Le manette erano usate per attaccare il Jarvik 7 agli atri naturali del cuore. I polsini erano attaccati da linee di trasmissione che erano fatte di poliuretano rinforzato. Le linee di trasmissione erano anche rivestite per promuovere la crescita dei tessuti. Le linee di trasmissione erano inserite attraverso il lato sinistro del paziente. Una grande unità elettronica delle dimensioni di un frigorifero forniva energia alla Jarvik per permetterne il funzionamento. Questa unità controllava anche “la velocità della pompa, la pressione di pompaggio e altre funzioni essenziali usando elettricità, aria compressa e vuoto”. Il Jarvik 7 fu in seguito ribattezzato Cardiowest Total Artificial Heart. Questo perché Symbion, che originariamente produceva il dispositivo, ha interrotto la produzione nel 1990 perché non seguiva i requisiti della FDA. MedForte Research ottenne i diritti da Symbion e successivamente formò una partnership con l’University Medical Center di Tucson, Arizona. Queste due organizzazioni hanno continuato a formare il cuore CardioWest. Di conseguenza, il Jarvik 7 è stato rinominato in Cardiowest Total Artificial Heart nel 1991. Nel 2004, il Cardiowest TAH ha ricevuto l’approvazione della FDA per il ponte verso le indicazioni di trapianto. Ponte al trapianto significa fondamentalmente che il cuore artificiale è solo in posizione fino a quando un vero cuore umano può essere localizzato per il trapianto. Diversi anni dopo, il CardioWest TAH è stato nuovamente rinominato “il SynCardia temporary” TAH nel 2010. Gli studi clinici hanno mostrato tassi di sopravvivenza del “79% contro il 46%” quando valutati rispetto al gruppo di controllo. I tassi di sopravvivenza 1 e 5 anni dopo il trapianto erano “86% e 64%”. Queste statistiche si sono rivelate positive se confrontate con quelle della United Network of Organ Sharing.
Dopo il SynCardia temporaneo, è emerso l’AbioCor TAH. Questo è il primo “cuore artificiale interno autonomo”. I ricercatori hanno studiato e testato questo dispositivo per 30 anni. I test clinici sono iniziati nel 2001 e lo stesso anno il dispositivo è stato impiantato in un essere umano. L’AbioCor è stato approvato dalla FDA nel 2006. Ciò che è unico di questo dispositivo è che non richiede alcun collegamento sottocutaneo, il che significa che il paziente non ha bisogno di essere collegato a “macchine esterne per il pompaggio dell’aria tramite tubi o fili che perforano la superficie della pelle”. L’AbioCor TAH pesa 2 libbre ed è costituito da quattro parti che vengono impiantate nel corpo umano. Queste quattro parti sono: il controller elettronico, l’unità toracica, la batteria al litio e il dispositivo di trasmissione transcutanea dell’energia (TET). Questo include anche “due ventricoli artificiali e valvole corrispondenti”. Questo sistema ha una pompa idraulica che è gestita da un motore e imita il battito cardiaco umano. La batteria impiantata nel corpo umano è continuamente ricaricata dal TET e da una batteria esterna. Il TET trasmette l’energia attraverso la pelle. La batteria interna ha una potenza fino a 30 minuti mentre la batteria esterna può durare fino a 4 ore. Va notato che il sistema AbioCor è orientato solo verso i pazienti che hanno insufficienza cardiaca biventricolare. L’insufficienza cardiaca biventricolare si verifica quando entrambi i ventricoli destro e sinistro non stanno pompando una quantità sufficiente di sangue per mantenere il corpo. Fondamentalmente, la FDA aveva concesso che l’AbioCor essere utilizzato solo sotto la Humanitarian Device Exception (HDE). A seguito di questa eccezione, solo un paziente è stato trapiantato con un AbioCor e successivamente è uscito di produzione a causa di complicazioni da “tromboembolismo ed eventi di risucchio atriale” .
Nel marzo 2010, SynCardia ha rilasciato il driver di libertà portatile . Con questo dispositivo, i pazienti non saranno più confinati in un ospedale a causa della grande console pneumatica. Questo permetterà ai pazienti la libertà e la capacità di vivere la loro vita normalmente dopo essere stati trapiantati con un cuore artificiale. Dopo aver ricevuto un cuore artificiale, i pazienti sono normalmente confinati in ospedale in attesa di un donatore di cuore umano. Questo riduce la qualità della vita e comporta dei costi per i pazienti. Inoltre, gli ospedali non hanno le risorse per mantenere il protocollo attuale. L’autista di libertà portatile pesa 13 libbre ed è fondamentalmente un “compressore pneumatico a pistone” che fornisce pressione al TAH. La frequenza di battito è l’unico parametro regolabile e viene calcolato prima di essere collegato al paziente. Lo scopo della frequenza di battito è di riempire parzialmente i ventricoli. Così, l’uscita del TAH produce un effetto Frank Starling. Un effetto Frank Starling è quando “il volume della corsa” del cuore aumenta perché il sangue ha riempito il cuore. La quantità extra di sangue fa espandere la parete ventricolare, che a sua volta innesca il muscolo cardiaco a contrarsi vigorosamente. Dopo la risposta di Frank Starling, i motori elettrici all’interno del dispositivo spingono il pistone per consentire la superfluità di backup. Il paziente può facilmente caricare il driver di libertà portatile in qualsiasi presa elettrica anche attraverso la porta ausiliaria di un’auto. I pazienti hanno anche la possibilità di fare il bagno con questo dispositivo. Il dispositivo contiene batterie al litio che durano 3 ore. Questo dispositivo unico permette ai destinatari del TAH di essere pazienti ambulatoriali durante la loro attesa di un donatore di cuore umano. Non sarebbero più limitati all’ospedale.
Si dovrebbe notare che anche se il cuore artificiale è una realizzazione incredibile che è stato fatto, è anche estremamente costoso. Può costare da 190.000 a 220.000 dollari. Più di 600 pazienti sono stati trapiantati con il SynCardia TAH. Questa quantità è molto significativa rispetto ai quasi 15 pazienti che hanno ricevuto l’AbioCor TAH. Il SynCardia è il TAH più utilizzato, costituendo il 93% dell’uso mondiale di questo dispositivo. È la TAH di maggior successo e supera i “116 anni-paziente di supporto del dispositivo” .