Sztuczne serce – granice ludzkiej inżynierii: Wyjaśniamy

Sztuczne serce – granice ludzkiej inżynierii. | Obraz wygenerowany przez AI

Każdego roku ponad 26 milionów ludzi na świecie zmaga się z niewydolnością serca, a ograniczona liczba dawców obniża szanse na przeżycie. Ten fakt pokazuje skalę problemu i dlaczego poszukuje się alternatyw do tradycyjnych przeszczepień.

W Laboratorium Materiałów Funkcjonalnych ETH Zurich naukowcy opracowali prototyp całkowicie miękkiego urządzenia wykonany z jednego kawałka silikonu. Połączono druk 3D z odlewaniem metodą traconego wosku, by odwzorować budowę i ruchy naturalnego narządu.

To dowód wykonalności: prototyp odtworzył pracę komór, lecz wytrzymał około 3000 uderzeń (ok. 45 minut). Pokazuje to, że kierunek rozwoju materiałów i geometrii komór jest obiecujący, choć droga do praktycznego zastosowania w transplantacji jest jeszcze długa.

W kolejnych częściach porównamy mechaniczne pompy z nowymi miękkimi rozwiązaniami i omówimy wpływ tych badań na polskie instytuty oraz ośrodki transplantacji.

Kluczowe wnioski

• Brak dawców znacząco ogranicza przeżywalność pacjentów z niewydolnością serca.
• Prototyp ETH Zurich pokazał, że miękkie konstrukcje mogą naśladować ruchy serca.
• Trwają prace nad materiałami i geometrią, by wydłużyć czas pracy urządzeń.
• To etap proof-of-concept, a nie jeszcze rozwiązanie kliniczne.
• W Polsce decyzje instytutów i ośrodków transplantacji będą kluczowe dla wdrożeń.

Czytaj także: Poznaj historię silnika spalinowego – serce motoryzacji

Kryzys przeszczepów a wyścig technologii: gdzie dziś jesteśmy

Globalny deficyt dawców napędza poszukiwanie alternatyw dla osób z niewydolnością serca. Ponad 26 milionów ludzi na świecie doświadcza tej choroby, a Europejskie Towarzystwo Kardiologiczne wskazuje, że główny powód niskiego przeżycia to brak organów.

Skala problemu

Systemy transplantacji są przeciążone, dlatego wielu pacjentów trafia na listy oczekujących na przeszczepienie. W oczekiwaniu stosuje się pompy krwi jako terapię przejściową.

Konsekwencje braku dawców

Metalowe i plastikowe elementy w klasycznych pompach mogą uszkadzać krwi i zwiększać ryzyko powikłań. To wymusza specjalistyczną opiekę i ogranicza mobilność pacjentów.

Od pomp do nowych rozwiązań

W laboratorium i w instytutach na świecie zespół naukowców pracuje nad bardziej biokompatybilnymi modelami. Metodą druku 3D i odlewu próbują odtworzyć komorę i przepływ, by zmniejszyć interakcje twardych komponentów z tkankami.

• Praktyka kliniczna: pompy wspomagające lewą komorę działają u wybranych pacjentów, lecz nie rozwiązują wszystkich przypadków niewydolności.
• Wdrożenie: przejście od prototypów do wszczepienia wymaga przygotowania systemu medycyny i personelu.

Sztuczne serce – granice ludzkiej inżynierii.

Prototyp ETH Zurich łączy druk 3D z odlewem metodą traconego wosku. Zespół stworzył pierwsze całkowicie miękkie urządzenie z jednego kawałka silikonu.

Budowa: model ma dwie komory odpowiadające prawej i lewej komorze oraz centralną, pneumatyczną komorę sterującą napędzaną sprężonym powietrzem. Urządzenie wykonało ok. 3000 uderzeń (~45 minut), po czym materiał uległ przeciążeniu.

Dlaczego to ważne

Miękkie materiały mogą zmniejszać hemolizę i uszkodzenia krwi w porównaniu z twardymi pompami. Jednak trwałość materiału, geometria ścian i chłodzenie systemu sterowania pozostają barierami dla wszczepienia.

Carmat kontra SynCardia

Carmat TAH po uzyskaniu certyfikatu (grudzień 2023) działa pulsacyjnie, ma czujniki adaptujące pracę do aktywności pacjenta i wymaga mniejszego zasilania niż SynCardia. Pacjent przyjmuje jedynie aspirynę, a system pozwala na zdalne monitorowanie.

Horyzont: dalszy rozwój to poprawa żywotności materiałów, miniaturyzacja zasilania i integracja sterowania, aby zbliżyć prototypy do realnych przeszczepień.

Biologiczna alternatywa: regeneracja serca i inżynieria tkankowa

Decelularyzacja i ponowne zasiedlanie tkanek tworzą obiecującą ścieżkę dla terapii bez zewnętrznych napędów.

Decelularyzacja polega na usunięciu komórek z narządu metodą detergentów i enzymów, przy zachowaniu macierzy pozakomórkowej (ECM). ECM pozostaje jako trójwymiarowe rusztowanie z anatomią komór, zastawek i mikrokrążeniem.

Decelularyzacja i rusztowanie ECM

Na takim szkielecie zespół osadzał ludzkie MCP uzyskane z iPS. Czynniki wzrostu kierują różnicowaniem w kardiomiocyty i komórki naczyniowe.

Komórki iPS → MCP w bioreaktorze

Po kilku tygodniach w bioreaktorze przygotowane serca gryzonia zaczęły bić w rytmie 40–50 uderzeń na minutę. Siła skurczu była jednak niższa niż naturalna, a odbudowa układu przewodzącego wymaga dalszych badań.

• Korzyści: personalizacja przeszczepów z komórek pacjenta i modele do testów leków.
• Ograniczenia: słabsze tłoczenie, brak pełnej sieci naczyń i przewodzenia.
• Kroki rozwoju: zwiększenie dojrzałości tkanek, walidacja przed transplantacją, standaryzacja przez instytuty.

Wyniki wcześniejszych prac (np. Harald Ott) dają nadzieję, że metoda może doprowadzić do personalizowanych przeszczepień. Jednak przed klinicznym zastosowaniem konieczne są dalsze etapy rozwoju i walidacji medycznej.

Wniosek

Coraz częściej klinicyści mają do wyboru dwie ścieżki: certyfikowane implanty pulsacyjne lub podejścia oparte na regeneracji tkanek. Po uzyskaniu certyfikatu w grudniu 2023 r. Carmat TAH stał się dostępnym rozwiązaniem, a w Polsce zespół prof. Mariusza Kuśmierczyka przeprowadził udane wszczepienia w kwietniu 2024 r.

Pacjentowi z niewydolnością obu komór i nadciśnieniem płuc przyniesiono szybką ulgę i spadek oporu płucnego w dwa tygodnie. Wybór terapii zależy od profilu — gdy nie da się wspomóc lewą komorę, całkowite urządzenie może być mostem do przeszczepienia.

Inżynieria tkankowa rośnie w siłę jako źródło łatek i modeli do testów, ale pełny narząd wymaga jeszcze poprawy przewodzenia i perfuzji. Nie zapomnij śledzić publikacji, rejestrów klinicznych i komunikatów o systemie opieki — dla pytań lub zgłoszeń, wyślij email do ośrodków chirurgii.