Lebensrettendes Kunstherz

Für Patienten mit Herzinsuffizienz im Endstadium war die Herztransplantation lange Zeit die letzte Option. Aufgrund des Mangels an Spenderherzen hat man in den letzten Jahren begonnen, seine Aufmerksamkeit auf „lebensverlängernde Maschinen“ zu richten – künstliche Herzen.

Wenn das Herz aufhört zu schlagen... Das Herz begleitet einen Menschen sein ganzes Leben lang. Durch die Tätigkeit des Herzens kann das Blut durch den menschlichen Körper fließen und der Blutkreislauf ist an Funktionen wie dem Stoffstoffwechsel und der Energieübertragung beteiligt. Wenn die Herzfunktion beeinträchtigt ist, ist die Sicherheit des menschlichen Lebens stark gefährdet. Berichten zufolge leiden weltweit etwa 22 Millionen Menschen an Herzversagen, und diese Zahl steigt weiterhin rasant an. Bei einer Herzinsuffizienz handelt es sich um eine unzureichende Kraft des Herzens, das nicht in der Lage ist, genügend Blut durch den gesamten Körper zu pumpen. Dies führt wiederum zu Atembeschwerden, übermäßiger Müdigkeit und Ödemen der unteren Gliedmaßen, was den Alltag des Patienten ernsthaft beeinträchtigt und sogar sein Leben gefährdet.

Wie pumpt das Herz Blut durch den Körper?

Das Herz ist wie eine „Wasserpumpe“, die für das „Pumpen“ und „Ablassen“ zuständig ist. Wir können uns das Herz als ein zweistöckiges Gebäude mit zwei Schlafzimmern und zwei Wohnzimmern vorstellen, wobei sich im oberen Stockwerk der linke und rechte Vorhof und im unteren Stockwerk die linke und rechte Herzkammer befinden. Wenn sich die Herzkammer zusammenzieht, fließt das sauerstoffarme Blut des Körpers zunächst aus den Venen in den rechten Vorhof, dann in die rechte Herzkammer, und anschließend pumpt die rechte Herzkammer das sauerstoffarme Blut in die Lunge. Das sauerstoffarme Blut gibt Kohlendioxid ab und absorbiert Sauerstoff in der Lunge, wird zu sauerstoffreichem Blut, fließt in den linken Vorhof, passiert die linke Herzkammer und wird durch den gesamten Körper gepumpt. Das durch den Körper fließende Blut wird für die Zellatmung verwendet, produziert dann Kohlendioxid und Stoffwechselprodukte, wird dann zu sauerstoffarmem Blut und fließt wieder zum Herzen (rechter Vorhof) zurück... Daher hält der Herzschlag die Blutzirkulation im gesamten Körper aufrecht und versorgt andere Organe mit Sauerstoff und Nährstoffen. Ein gesundes Herz schlägt etwa 100.000 Mal am Tag, um die normale Funktion des menschlichen Körpers zu gewährleisten.

Derzeit sind etwa 44 % der Patienten mit Herzinsuffizienz auf Inotropika angewiesen, um am Leben zu bleiben, und etwa 23 % sind auf Herzunterstützungssysteme angewiesen, um die Herzfunktion aufrechtzuerhalten, während sie auf eine Herztransplantation warten. Allerdings ist der Mangel an Spenderherzen gravierender als der an anderen Transplantationsorganen. Um dieses Problem zu lösen, konzentrierten sich Wissenschaftler auf die Entwicklung künstlicher Herzen.

Was ist ein künstliches Herz?

Ein künstliches Herz ist ein Gerät, das in den Körper implantiert werden kann. Es gibt zwei Kategorien: Hilfskunstherzen und vollständige Kunstherzen, die dazu dienen, Teile oder alle Funktionen des Herzens zu ersetzen. Einfach ausgedrückt besteht die Funktion eines künstlichen Herzens darin, das Herz bei der Blutpumpe zu unterstützen oder zu ersetzen und so bei Patienten mit Herzinsuffizienz eine kontinuierliche Energiequelle für den Blutkreislauf des Körpers bereitzustellen.

Derzeit ist die klinische Anwendung künstlicher Herzen hauptsächlich in drei Aspekte unterteilt: Erstens verschafft es den Patienten als Ersatz während der Übergangszeit bis zur Herztransplantation mehr Zeit, einen geeigneten Spender zu finden; zweitens bietet es Patienten mit akuter Herzinsuffizienz eine kurzfristige Ersatzunterstützung, die nach Wiederherstellung der Herzfunktion entfernt wird; Drittens bietet es einen langfristigen Ersatz für Patienten mit Herzversagen im Endstadium und unterstützt die Patienten dabei, lange Zeit mit künstlichen Herzen zu überleben.

Theoretisch kann jede Form einer „Wasserpumpe“ als mechanisches Kunstherz verwendet werden. Aufgrund der Besonderheiten des menschlichen Körpers müssen jedoch die Geschwindigkeit, mit der die „Wasserpumpe“ den Blutfluss antreibt, die Tragbarkeit der „Wasserpumpe“, die durch die „Wasserpumpe“ verursachte Immunreaktion und die Stabilität der „Wasserpumpe“ berücksichtigt werden.

Basierend auf den oben genannten Aspekten haben Forscher ein weiteres vollständig künstliches Herz entwickelt – ein vollständig magnetisch schwebendes künstliches Herz.

Inländisches vollständig magnetisch aufgehängtes künstliches Herz

Das Prinzip des vollständig magnetisch schwebenden Kunstherzens ist nicht kompliziert. Dabei ist lediglich die Nutzung magnetischer Kraft erforderlich, um den Rotor (den rotierenden Teil einer rotierenden Maschine) in der Kavität aufzuhängen und die Rotation des Rotors durch Steuerung des elektrischen Stroms zu erreichen. Dies ähnelt stark dem Prinzip einer Magnetschwebebahn und unterscheidet sich nicht einmal von einem Magnetschwebespielzeug. Da es sich jedoch um ein medizinisches Gerät handelt, das lange Zeit im Dienst des Patienten steht, kann die Betriebsstabilität des vollständig magnetisch schwebenden Kunstherzens extrem hohen Anforderungen genügen. Gleichzeitig wirken sich seine Größe und Biokompatibilität deutlich besser auf den menschlichen Körper aus als bisherige Kunstherzen.

Derzeit ist das neue, vollständig magnetisch schwebende künstliche Herz, das vom Institut für künstliche Organe der Universität Soochow entwickelt wurde, weltweit führend. Es sieht aus wie eine Schnecke und besteht hauptsächlich aus einer Titanlegierung. Das Gerät hat einen Durchmesser von nur 50 mm, ist 26 mm dick und wiegt weniger als 180 g. Das Gerät verwendet einen Elektromagneten, einen Permanentmagneten und einen Rotor, um einen Pumpenkörper zur Förderung des Blutflusses zu bilden.

Das Herzstück des vollständig magnetisch aufgehängten Pumpenkörpers einer künstlichen Herzmuschel ist ein gezahnter Rotor, über dem sich Elektromagnete und Permanentmagnete befinden. Die von beiden erzeugten Magnetfelder sorgen dafür, dass der Rotor im Pumpenkörper schwebt. Durch Veränderung der Stromstärke des Elektromagneten und damit Veränderung der magnetischen Feldstärke wird eine sich ständig ändernde Magnetkraft erzeugt, die den Rotor zur Rotation antreibt. Der Pumpenkörper führt Blut durch zwei Katheter ein und leitet es ab. Aufgrund der speziellen Struktur des Rotors übt dieser während der Rotation einen Unterdruck auf das Blut im Katheter aus, um das Blut in die Pumpe zu „saugen“. Gleichzeitig wird ein positiver Druckstoß auf das in die Pumpe „angesaugte“ Blut ausgeübt, sodass das Blut aus dem anderen Katheter herausgepumpt wird und so der Pumpvorgang des Blutes im Herzen simuliert wird.

Im Vergleich zu herkömmlichen Rotoren verfügt der Rotor des vollständig magnetisch schwebenden Kunstherzens zudem über eine gewisse Stoßdämpfungsfunktion, die die Betriebsstabilität des Geräts bei Bewegungen mit dem menschlichen Körper verbessern soll. Was die Biokompatibilität betrifft, so wird die Schädigung von Blutbestandteilen erheblich reduziert, da der aufgehängte Rotor für seine Rotation kein Blut als Schmiermittel benötigt und einen viel größeren Aufhängungsspalt als ein flüssiges dynamisches Lager erreicht.

Heute befindet sich dieses vollständig magnetisch schwebende Kunstherz noch immer in der klinischen Testphase. Die erste Person, die sich dem Transplantationsversuch unterzog, war ein junger Herzinsuffizienzpatient aus der Provinz Hebei. Vor der Transplantation fühlte sich der Patient oft schwach, hatte Atembeschwerden und konnte sich im Grunde jeden Tag nur im Bett ausruhen. Im Januar 2021 wurde dem Patienten das vollständig magnetisch schwebende Kunstherz erfolgreich transplantiert. Nach Aussage des Patienten war er vor der Operation bereits nach 20 bis 30 Metern außer Atem, jetzt könne er problemlos 1.000 Meter gehen. Er kann auch ohne fremde Hilfe die Treppe hinauf- und hinuntergehen und hat im Grunde genommen eine vollständige Selbstversorgung erreicht.

Durch die Kombination relativ einfacher Prinzipien und äußerst schwieriger Technologie ist ein vollständig magnetisch schwebendes künstliches Herz entstanden. Ich bin davon überzeugt, dass das vollständig magnetisch schwebende Kunstherz in naher Zukunft mehr Patienten mit Herzinsuffizienz einen neuen „Herzschlag“ ermöglichen wird.

Die Geschichte der Entwicklung künstlicher Herzen: Bereits Mitte des 20. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler, den Weg künstlicher Herzen zu erforschen. Im Jahr 1953 leistete die weltweit erste Herz-Lungen-Maschine einem Herzpatienten während einer Operation 26 Minuten lang vollständige Atmungs- und Kreislaufunterstützung und bestätigte damit erstmals die Machbarkeit der Simulation der Herzfunktion mit künstlichen Geräten. 1957 wurde das erste künstliche Herz entwickelt. Ärzte implantierten es einem Hund, doch das Tier überlebte nur 90 Minuten. Im Jahr 1969 wurde die weltweit erste Operation zur Implantation eines künstlichen Herzens erfolgreich durchgeführt. Dadurch gewann ein Patient, der auf eine Herztransplantation wartete, 64 Stunden kostbare Zeit. Der Patient starb jedoch 32 Stunden nach der Herztransplantation an einer infektiösen Lungenentzündung. Im Jahr 1981 wurde die weltweit zweite künstliche Herztransplantation durchgeführt. Der Patient erhielt die Transplantation und überlebte dann 55 Stunden, bevor er eine menschliche Herztransplantation erhielt. Leider starb der Patient 10 Tage nach der Herztransplantation an einer Infektion, Nierenversagen und Lungenkomplikationen. Im Jahr 1982 wurde einem 61-jährigen Patienten erstmals ein künstliches Herz implantiert; der Patient verstarb 112 Tage später. Im Jahr 2004 kam ein verbessertes künstliches Herz auf den Markt. Bei den Patienten, die die Transplantation erhielten, betrug die längste Überlebenszeit 1.374 Tage.

In den 1990er Jahren kam ein vollständig künstliches Herz mit einer pulsierenden Blutpumpe als Kern auf den Markt. Aufgrund der schweren Schädigung der Blutbestandteile, der hohen Inzidenz von Hämolyse (abnormer Zerfall und Absterben der roten Blutkörperchen) und Thrombosen bei den Empfängern sowie der großen Größe und der kurzen Lebensdauer wurde dieses Verfahren jedoch grundsätzlich ausgeschlossen. Mit Beginn des 21. Jahrhunderts sind rotierende Blutpumpen zu den Mainstream-Produkten im Bereich der künstlichen Herzen geworden. Unter ihnen wurden die erste Generation (mechanische Kontaktlager) und die zweite Generation (flüssige dynamische Lager) aufgrund ihrer schwerwiegenden Schädigung der Blutbestandteile nacheinander vom Markt genommen.

Das vollständig künstliche Herz der dritten Generation verwendet als Kernkomponente eine vollständig magnetisch aufgehängte Blutpumpe. Im Vergleich zu den beiden vorherigen Generationen liegen seine Vorteile in der einfachen Steuerung des Rotors, der langen Lebensdauer, einer geringeren Schädigung der Blutzellen (wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Thrombose und Hämolyse verringert wird), der geringen Größe (geeignet für In-vivo-Transplantationen) und dem geringen Stromverbrauch. Die Forschung und Entwicklung des vollständig magnetisch schwebenden künstlichen Herzens hat das Gebiet der vollständig künstlichen Herzen auf eine neue Stufe gehoben.