Генезис внетелесного обращения: век видения

Мечта о временной замене сердца и легких машиной тянется к самым ранним дням современной физиологии.В 1885 году немецкие физиологи Макс фон Фрей и Макс Грубер построили один из первых прототипов, призванных поддерживать кислород в крови вне тела. Их устройство полагалось на стеклянные камеры для воздействия крови на кислород, но оставалось лабораторным любопытством, а не клиническим инструментом.Фундаментальным барьером была не только инженерия: кровь — это живая ткань, которая сгущается, гемолизается и деградирует при неправильном обращении.Любой аппарат, надеявшийся выдержать пациента во время операции на открытом сердце, должен был решить три взаимосвязанные головоломки: предотвратить свертывание крови, не вызывая кровоизлияния, кислородсосать кровь, не повреждая красные клетки, и возвращать кровь в кровообращение, не вводя воздушные эмболы.

В течение 1920-х и 1930-х годов поиск ускорился. Молодой студент-медик по имени Джон Х. Гиббон-младший стал свидетелем того, как молодая женщина умерла от легочной эмболии в Массачусетской больнице общего профиля в 1930 году. В этот момент кристаллизовалось его убеждение, что машина, способная обойти заблокированную легочную артерию, может спасти жизни. Одновременно авиатор Чарльз Линдберг, работая с нобелевским лауреатом Алексисом Каррелем, разработал стеклянный перфузионный насос, который мог бы поддерживать жизнь изолированных органов вне тела. Линдберг и устройство Карреля были элегантными, но недостаточными для поддержки всего тела. Отсутствующие ингредиенты включали очищенный гепарин (который стал доступен только в конце 1930-х годов), надежные кровяные насосы и более глубокое понимание того, как искусственные поверхности взаимодействуют с белками крови и тромбоцитами.

«Проблема внетелесного кровообращения была не в первую очередь инженерной проблемой — это была проблема понимания тонкой природы крови и реакции организма на искусственные поверхности». — Историк медицины Томас Х. Ли[1]

К 1940-м годам появились две конкурирующие конструкции оксигенаторов. Кислородаторы пленки разбрасывали кровь тонким слоем по вращающимся дискам или стационарным экранам, позволяя кислороду диффундировать по поверхности. Кислородаторы пузырьков всплывали кислородом непосредственно через кровь, а затем удаляли пузырьки с помощью дефомационных агентов и ловушек. Оба подхода несли серьезные обязательства: конструкции пленки требовали огромных поверхностей и вызывали значительную травму крови; конструкции пузырьков рисковали посылать газовые эмболы в артерии пациента. Путь вперед требовал не просто лучших насосов и камер, но фундаментального переосмысления того, как сохранить целостность крови во время внетелесного кровообращения.

Архитекторы первой успешной машины

Джон Х. Гиббон-младший и длинная дорога в Филадельфию

Одержимость Джона Гиббона строительством аппарата для лечения сердечно-легочных заболеваний занимала более двух десятилетий его жизни.По окончании медицинской школы и хирургической подготовки он основал лабораторию в Медицинском колледже Джефферсона в Филадельфии, где проводил бесчисленные ночи и выходные, проводя эксперименты на животных. Его ранние результаты были разрушительными: почти каждая собака или кошка умерла на столе или вскоре после этого от гемолиза, кровотечения или неконтролируемого свертывания крови.Проблема была не только в насосе, но и во всей системе обработки крови, регулировании температуры и стерильной технике.

Прорыв Гиббона произошёл, когда он упростил кислородатор в вертикальный стационарный экран из сетки из нержавеющей стали. Кровь текла по экрану тонкой пленкой, в то время как кислород циркулировал по его поверхности, достигая эффективного газообмена без механической травмы вращающихся частей. Для перекачки крови он принял роликовый насос, имитирующий перистальтическое действие, минимизируя повреждение эритроцитов. Машина также требовала тщательного контроля температуры и непрерывного контроля газов крови, концепции, которые были ещё в зачаточном состоянии.

Признавая, что ему не хватает инженерных ресурсов для создания клинически жизнеспособного устройства самостоятельно, Гиббон сформировал ключевое партнерство с корпорацией International Business Machines (IBM) . Инженеры IBM принесли в проект прецизионные клапаны, стандартизированные расходомеры и производственную дисциплину. Полученная машина была огромной — она занимала целую комнату — но она могла выдерживать общее сердечно-легочное шунтирование у собак более часа с приемлемой выживаемостью.

6 мая 1953 года Гиббон достигла исторического рубежа. 18-летняя женщина по имени Сесилия Баволек представила большой дефект предсердной перегородки, отверстие между верхними камерами сердца. Команда Гиббона поместила её на полное обходное отверстие на 26 минут, открыла правое предсердие под прямым зрением и закрыла дефект. Сесилия полностью восстановилась и прожила нормальную жизнь. Эта первая успешная операция на открытом сердце человека доказала, что комплексный внутрисердечный ремонт можно безопасно проводить при механической поддержке.

Конкурирующие видения: Деннис, Додрил и Лиллехей

Гиббон был не одинок в гонке. Кларенс Деннис из Университета Миннесоты пытался в 1951 году провести клинический случай с использованием вращающегося диска-оксигенатора, но пациент умер от воздушной эмболии. Скрупулезная документация Денниса о сбое — в том числе критическая потребность в пузырьковых ловушках и осторожная деэмболизация — предоставила необходимые данные о безопасности для поля. Форест Додрил, сотрудничая с General Motors, разработал механический насос, способный поддерживать только левое сердце (обход левого желудочка). Хотя работа Додрила не была полной машиной для сердечно-легочного аппарата, работа Додрила продемонстрировала, что долгосрочная механическая поддержка кровообращения была осуществима и может быть усовершенствована дальше.

C. Уолтон Лиллехей, также из Университета Миннесоты, принял радикально иной подход: перекрестное кровообращение. В этой технике кровообращение пациента было временно связано с донором (обычно родителем), который действовал как живая, дышащая машина для сердца и легких. Этические риски для здорового донора были существенными, но результаты Лиллехея были неоспоримыми. Между 1954 и 1955 годами он выполнил десятки успешных операций по восстановлению открытого сердца с использованием этого метода, включая впервые исправление дефектов желудочковой перегородки и тетралогию Фалло. Этические и логистические проблемы использования донора человека стимулировали усилия по совершенствованию искусственной машины, которая могла бы воспроизводить ту же функцию, не подвергая опасности второго человека.

Первый успех и его последствия: неудачи и искупление

Триумф Гиббона в 1953 году не сопровождался каскадом побед. Его следующие пять пациентов умерли на операционном столе или в непосредственно послеоперационный период. Причины были позже выявлены: неадекватные протоколы антикоагуляции, неконтролируемые сдвиги в сывороточном кальции и калии и недиагностированные нарушения свертывания крови. Машина Гиббона, будучи новаторской, все еще требовала необычайной точности в управлении. Глубоко обескураженная и убежденная в том, что машина еще не готова к широкому использованию, Гиббон прекратила клинические случаи и вернулась к экспериментальной работе.

Факел быстро передался Лиллехею и его команде. Признавая ограничения перекрестного циркуляции, Лиллехей поручил своему хирургическому резиденту Ричарду ДеВаллу разработать более простой, безопасный кислородатор. Результатом стал Дьюоллский пузырь-оксигенатор, представленный в 1955 году. Это устройство использовало вертикальную колонку пластиковой трубки для пузырьков кислорода через кровь, за которой следовали дефомационная камера и пузырьковая ловушка для удаления газовых эмболов. Кислородатор DeWall был недорог, мог собираться из легкодоступных материалов и надежно работал для операций, продолжавшихся до часа. Он быстро стал стандартом во всем мире, что позволило сердечным хирургическим программам процветать в конце 1950-х и 1960-х годов. Для более глубокого погружения в эту эпоху, исторический обзор сердечно-легочного шунтирования NIH предлагает отличный технический и повествовательный отчет.

Эволюция: от бегемотов размером с комнату до компактных точных инструментов

Роллерные насосы и центробежные альтернативы

Роликовый насос, первоначально адаптированный Майклом ДеБейки в 1930-х годах для переливания крови, стал стандартом для артериальной тяги в машинах для сердечного лёгкого. Он захватывает кровь между вращающимся роликом и гибким сегментом трубки, продвигая её вперёд в перистальтической волне. Эта конструкция проста, надежна и позволяет точно контролировать скорость потока. Однако роликовые насосы также могут вызывать травму крови, если окклюзия установлена слишком плотно. Современные системы всё чаще используют центробежные (неокклюзионные) насосы, которые производят меньше напряжения сдвига и меньше микроэмболий, особенно во время длительных объездных пробегов.

Мембранные кислородные генераторы: имитируя дизайн природы

В то время как пузырьки-оксигенаторы были прочными и недорогими, они все еще вызывали некоторую степень травмы крови и ограничивали безопасную продолжительность шунтирования. Следующий квантовый скачок произошел с развитием мембранного кислородатора в конце 1960-х и начале 1970-х годов. Вместо прямого интерфейса с газом мембранные оксигенаторы используют тонкую газопроницаемую мембрану для отделения крови от подачи кислорода, близко имитируя альвеолярно-капиллярный интерфейс в легких человека. Ранние конструкции использовали силиконовые резиновые мембраны, которые были эффективными, но требовали больших поверхностей. Введение полых волокон-кислородов с использованием микропористых полипропиленовых волокон резко уменьшило размер и объем затравки при одновременном повышении эффективности газообмена. Эти достижения позволили шунтировать безопасно до четырех часов или дольше, что позволило провести сложную операцию коронарного шунтирования с несколькими сосудами и сложный ремонт клапанов.

Интегрированные системы безопасности и мониторинг

Машина 21-го века для сердечно-легочных систем — это чудо техники безопасности. Она включает в себя множество резервов: детекторы пузырьков, которые автоматически останавливают насос, если воздух ощущается в артериальной линии; фильтры артериальной линии, которые захватывают микроэмболи до того, как они достигают пациента; непрерывные встроенные мониторы для газов крови, электролитов, гемоглобина и температуры; и сложные регуляторы потока и давления с программируемыми сигналами тревоги. Перфузиологи проходят специальную подготовку для управления сложным взаимодействием между потоком насоса, доставкой кислорода, температурой пациента и состоянием свертывания. Отпечаток машины сократился от целой комнаты до компактной колесной тележки, а некоторые системы миниатюризируются для транспортировки и аварийного развертывания в машинах скорой помощи и военных вертолетах.

Для углубленного изучения биографии Джона Гиббона и ранних клинических проблем, Medscape History of Medicine предоставляет ценную перспективу от врачей, которые присутствовали на заре операции на открытом сердце.

Переформирование кардиохирургии: трансформационный эффект

Надежная машина для лечения сердечно-легочных заболеваний сделала больше, чем просто позволила провести несколько драматических операций; она коренным образом изменила всю область кардиохирургии. До ее развития хирурги ограничивались процедурами с закрытым сердцем: лигированием патентного протока артериозуса, выполнением слепой митральной коммиссуротомии или размещением шунта для паллиативной тетралогии Фалло. Ни один из них не позволял прямой визуализации или восстановления внутрисердечных структур.

С помощью сердечно-легочного шунтирования хирурги могли бы обратиться ко всему спектру сердечной патологии. Дефекты предсердий и желудочковой перегородки, тетралогия Фалло, реконструкция и замена клапанов, коронарная шунтировка артерий (CABG) и в конечном итоге трансплантация сердца стали возможными. К 1960-м годам такие машины, как оксигенатор насоса Майо-Гиббона (утонченная версия оригинальной конструкции Гиббона) находились в обычном использовании в ведущих центрах. Операция шунтирования коронарной артерии, усовершенствованная в 1970-х годах Рене Фавалоро и другие, стала самой распространенной крупной хирургической процедурой в Соединенных Штатах, спасая миллионы жизней.

Влияние на детскую кардиохирургию было одинаково глубоким. Младенцы, рожденные со сложными врожденными дефектами, такими как гипопластический левосердечный синдром, транспозиция больших сосудов или общая аномальная легочная венозная возвратность, теперь могут быть помещены на шунтирование в течение нескольких часов, что позволяет хирургической реконструкции. Улучшенные конструкции оксигенатора минимизировали травму крови в хрупком неонатальном кровообращении, а специализированные педиатрические схемы с меньшими объемами первичной обработки уменьшили потребность в переливании донорской крови. Показатели выживаемости для врожденной сердечной хирургии выросли с менее чем 10% в 1950-х годах до более чем 95% в нынешнюю эпоху для многих распространенных состояний.

Наследие и горизонт: от обхода к имплантируемым устройствам

История машины для сердечно-легочных заболеваний является свидетельством междисциплинарного сотрудничества: медицина, физиология, инженерия, материаловедение и промышленность — все они слились для решения, по-видимому, невозможной проблемы. Каждая неудача была уроком; каждое постепенное улучшение приближало цель. Развитие машины также породило внекорпоральную мембранную оксигенацию (ECMO) , которая теперь обеспечивает длительную респираторную и сердечную поддержку в течение нескольких дней или даже недель в отделениях интенсивной терапии. ECMU использует те же основные принципы, что и машина для сердечно-легочных заболеваний, но предназначена для долгосрочного использования с минимальной травмой крови, используя схемы с гепариновым покрытием и передовые мембранные оксигенаторы. Extracorporeal Life Support Organization предоставляет текущие руководящие принципы, данные реестра и клинические ресурсы для практикующих ECMO во всем мире.

Сегодня исследователи продвигаются к миниатюрным имплантируемым насосам, которые в один прекрасный день могут полностью устранить необходимость в больших внешних машинах. Левожелудочковые вспомогательные устройства (LVAD) и полные искусственные сердца уже используются в клинических условиях для пациентов, ожидающих трансплантации или в качестве целевой терапии. Эти устройства напрямую заимствованы из уроков, извлеченных в течение шести десятилетий сердечно-легочного шунтирования: как управлять взаимодействиями по поверхности крови, антикоагуляцией и воспалительной реакцией на механическую циркуляцию. Конечной целью остается полностью имплантируемое искусственное сердце, которое может поддерживать пациента в течение многих лет без необходимости внешней силы или мониторинга, но это видение все еще требует прорывов в доставке энергии, долговечности и биосовместимости.

История первой успешной машины для лечения сердечно-легких заболеваний - это не просто хроника технического прогресса; это рассказ о человеческой настойчивости перед лицом повторяющихся неудач. От стеклянного кислородатора фон Фрея до триумфальной операции Гиббона в 1953 году и от грубых пузырьковых оксигенаторов до современных сложных компьютерных систем - путешествие отражает лучшее из научных исследований. Машина дала хирургам дар времени внутри человеческого сердца, и с этим даром они спасли бесчисленные жизни.