Cuore artificiale salvavita

Per molto tempo il trapianto di cuore è stata l'ultima opzione per i pazienti affetti da insufficienza cardiaca allo stadio terminale. Ma negli ultimi anni, a causa della carenza di donatori di cuore, la gente ha iniziato a rivolgere la propria attenzione alle "macchine che prolungano la vita": i cuori artificiali.

Se il cuore smette di battere... il cuore accompagna una persona per tutta la vita. È sotto l'azione del cuore che il sangue può fluire in tutto il corpo umano e la circolazione sanguigna è coinvolta in funzioni quali il metabolismo della materia e la trasmissione dell'energia. Una volta compromessa la funzionalità cardiaca, la sicurezza della vita umana sarà gravemente minacciata. Si stima che circa 22 milioni di persone in tutto il mondo soffrano di insufficienza cardiaca e questo numero è in rapida crescita. L'insufficienza cardiaca è una condizione in cui il cuore non riesce a pompare abbastanza sangue in tutto il corpo, il che a sua volta provoca difficoltà respiratorie, affaticamento eccessivo ed edema degli arti inferiori, compromettendo gravemente la vita quotidiana del paziente e persino mettendone a repentaglio la vita.

Come fa il cuore a pompare il sangue in tutto il corpo?

Il cuore è come una "pompa d'acqua" responsabile del "pompaggio" e dello "svuotamento". Possiamo immaginare il cuore come un edificio a due piani con due camere da letto e due soggiorni, in cui il piano superiore ospita gli atri destro e sinistro e quello inferiore i ventricoli destro e sinistro. Innanzitutto, quando il ventricolo si contrae, il sangue deossigenato del corpo scorre dalle vene nell'atrio destro, poi nel ventricolo destro, che poi pompa il sangue deossigenato nei polmoni. Il sangue deossigenato rilascia anidride carbonica e assorbe ossigeno nei polmoni, diventa sangue ossigenato, scorre nell'atrio sinistro, passa attraverso il ventricolo sinistro e viene pompato in tutto il corpo. Il sangue che scorre in tutto il corpo viene utilizzato per la respirazione cellulare, quindi produce anidride carbonica e metaboliti, quindi diventa sangue deossigenato e ritorna nuovamente al cuore (atrio destro). Pertanto, il battito del cuore mantiene la circolazione del sangue in tutto il corpo e porta ossigeno e sostanze nutritive ad altri organi. Un cuore sano batte circa 100.000 volte al giorno per garantire il normale funzionamento del corpo umano.

Attualmente, tra i pazienti affetti da insufficienza cardiaca, circa il 44% ricorre a farmaci inotropi per sopravvivere, mentre circa il 23% ricorre a dispositivi di assistenza ventricolare per mantenere la funzionalità cardiaca in attesa di un trapianto di cuore. Tuttavia, la carenza di donatori di cuore è più grave rispetto a quella di altri organi da trapiantare. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione allo sviluppo di cuori artificiali.

Cos'è un cuore artificiale?

Un cuore artificiale è un dispositivo che può essere impiantato nel corpo. Si divide in due categorie: cuore artificiale ausiliario e cuore artificiale completo, che serve a sostituire una parte o tutte le funzioni del cuore. In parole povere, la funzione di un cuore artificiale è quella di aiutare o sostituire il cuore nel pompare il sangue, fornendo una fonte continua di energia per la circolazione sanguigna nei pazienti affetti da insufficienza cardiaca.

Attualmente, l'applicazione clinica dei cuori artificiali si divide principalmente in tre aspetti: in primo luogo, come sostituto durante il periodo di transizione in attesa del trapianto di cuore, poiché dà ai pazienti più tempo per trovare un donatore idoneo; in secondo luogo, fornisce un supporto sostitutivo a breve termine per i pazienti con insufficienza cardiaca acuta, che verrà rimosso dopo il recupero della funzionalità cardiaca; in terzo luogo, fornisce una sostituzione a lungo termine per i pazienti affetti da insufficienza cardiaca allo stadio terminale, aiutandoli a sopravvivere a lungo con cuori artificiali.

In teoria, qualsiasi forma di "pompa idraulica" può essere utilizzata come cuore artificiale meccanico. Tuttavia, data la particolarità del corpo umano, la velocità alla quale la "pompa dell'acqua" aziona il flusso sanguigno, la portabilità della "pompa dell'acqua", la risposta immunitaria causata dalla "pompa dell'acqua" e la stabilità della "pompa dell'acqua" sono tutti aspetti che devono essere presi in considerazione.

Sulla base degli aspetti sopra menzionati, i ricercatori hanno sviluppato un altro cuore completamente artificiale: un cuore artificiale a levitazione magnetica completa.

Cuore artificiale domestico completamente sospeso magneticamente

Il principio del cuore artificiale a levitazione magnetica completa non è complicato. È sufficiente l'uso della forza magnetica per sospendere il rotore (la parte rotante di una macchina rotante) nella cavità e per ottenere la rotazione del rotore tramite il controllo della corrente elettrica. Il principio è molto simile a quello di un treno a levitazione magnetica e non è nemmeno diverso da quello di un giocattolo a levitazione magnetica. Tuttavia, poiché si tratta di un dispositivo medico che coesiste a lungo con i pazienti, la stabilità operativa del cuore artificiale a levitazione magnetica completa può soddisfare requisiti estremamente elevati. Allo stesso tempo, le sue dimensioni e la sua biocompatibilità hanno effetti molto migliori sul corpo umano rispetto ai precedenti cuori artificiali.

Attualmente, il nuovo cuore artificiale a levitazione completamente magnetica sviluppato dall'Istituto di organi artificiali dell'Università di Soochow è all'avanguardia a livello mondiale. Sembra una lumaca ed è realizzata principalmente in lega di titanio. Il dispositivo ha un diametro di soli 50 mm, uno spessore di 26 mm e pesa meno di 180 g. Il dispositivo utilizza un elettromagnete, un magnete permanente e un rotore per formare un corpo pompa che aziona il flusso sanguigno.

La parte centrale del corpo della pompa cardiaca artificiale completamente sospesa magneticamente è un rotore seghettato, con elettromagneti e magneti permanenti rispettivamente sopra e sotto di esso. I campi magnetici generati dai due elementi fanno sì che il rotore resti sospeso nel corpo della pompa. Modificando la corrente dell'elettromagnete per modificare l'intensità del campo magnetico, si genera una forza magnetica in continua variazione, che fa ruotare il rotore. Il corpo della pompa introduce e scarica il sangue attraverso due cateteri. Grazie alla speciale struttura del rotore, durante la rotazione verrà applicata una pressione negativa di aspirazione al sangue nel catetere, "risucchiandolo" nella pompa. Contemporaneamente, verrà applicata una spinta di pressione positiva al sangue "aspirato" nella pompa, in modo che il sangue venga pompato fuori dall'altro catetere, simulando così il processo di pompaggio del sangue nel cuore.

Rispetto ai rotori tradizionali, il rotore del cuore artificiale a levitazione completamente magnetica ha anche una certa funzione di assorbimento degli urti, che mira a migliorare la stabilità operativa del dispositivo quando si muove insieme al corpo umano. In termini di biocompatibilità, poiché il rotore sospeso non necessita di sangue come lubrificante per la rotazione e realizza uno spazio di sospensione molto più ampio rispetto a un cuscinetto dinamico liquido, il danno ai componenti del sangue è notevolmente ridotto.

Oggi questo cuore artificiale a levitazione magnetica completa è ancora nella fase di sperimentazione clinica. La prima persona a sottoporsi alla sperimentazione del trapianto è stata un giovane paziente affetto da insufficienza cardiaca proveniente dalla provincia di Hebei. Prima del trapianto, il paziente si sentiva spesso debole e aveva difficoltà a respirare, e riusciva solo a riposare a letto ogni giorno. Nel gennaio 2021, il cuore artificiale completamente a levitazione magnetica è stato trapiantato con successo nel paziente. Il paziente ha raccontato che prima dell'operazione gli mancava il fiato dopo aver camminato per 20-30 metri, mentre ora riesce a camminare per 1.000 metri senza alcun problema. Riesce anche a salire e scendere le scale da solo, senza l'aiuto di altri, e ha sostanzialmente raggiunto la completa cura di sé.

La combinazione di principi relativamente semplici e di una tecnologia estremamente complessa ha dato vita a un cuore artificiale a levitazione magnetica completa. Credo che nel prossimo futuro il cuore artificiale a levitazione magnetica completa porterà un nuovo "battito cardiaco" a un numero maggiore di pazienti affetti da insufficienza cardiaca.

Storia dello sviluppo dei cuori artificiali: già a metà del XX secolo gli scienziati cominciarono a esplorare la strada dei cuori artificiali. Nel 1953, la prima macchina cuore-polmoni al mondo fornì 26 minuti di supporto respiratorio e circolatorio completo a un paziente cardiaco sottoposto a intervento chirurgico, confermando inizialmente la fattibilità della simulazione della funzionalità cardiaca con dispositivi artificiali. Nel 1957 venne sviluppato il primo cuore artificiale. I medici lo impiantarono in un cane, ma l'animale sopravvisse solo 90 minuti. Nel 1969 venne completato con successo il primo intervento chirurgico di impianto di cuore artificiale al mondo, facendo guadagnare 64 ore di tempo prezioso a un paziente in attesa di ricevere un trapianto di cuore umano. Tuttavia, il paziente morì di polmonite infettiva 32 ore dopo aver ricevuto il trapianto di cuore umano. Nel 1981 venne completato il secondo intervento di trapianto di cuore artificiale al mondo. Il paziente ha ricevuto il trapianto ed è sopravvissuto per 55 ore prima di ricevere un trapianto di cuore umano. Purtroppo, il paziente è morto a causa di infezione, insufficienza renale e complicazioni polmonari 10 giorni dopo aver ricevuto il trapianto di cuore umano. Nel 1982, per la prima volta, venne impiantato un cuore artificiale totale in un paziente di 61 anni, che morì 112 giorni dopo. Nel 2004 è stato lanciato un cuore artificiale totale migliorato. Tra i pazienti sottoposti al trapianto, il tempo di sopravvivenza più lungo è stato di 1.374 giorni.

Negli anni '90 è stato realizzato un cuore completamente artificiale, dotato di una pompa sanguigna pulsante al centro. Tuttavia, è stato sostanzialmente eliminato a causa dei gravi danni ai componenti del sangue, dell'elevata incidenza di emolisi (decomposizione anomala e morte dei globuli rossi) e trombosi nei riceventi, delle grandi dimensioni e della breve durata. Dopo l'ingresso nel XXI secolo, le pompe sanguigne rotative sono diventate i prodotti più diffusi nel campo dei cuori artificiali. Tra questi, la prima generazione (cuscinetti a contatto meccanico) e la seconda generazione (cuscinetti liquido-dinamici) sono state eliminate dal mercato una dopo l'altra a causa dei gravi danni ai componenti del sangue.

Il cuore completamente artificiale di terza generazione utilizza come componente principale una pompa sanguigna completamente sospesa magneticamente. Rispetto alle due generazioni precedenti, i suoi vantaggi sono la facilità di controllo del rotore, la lunga durata, il minor danneggiamento delle cellule del sangue (riducendo così la probabilità di trombosi ed emolisi), le dimensioni ridotte (adatto per il trapianto in vivo) e il basso consumo energetico. La ricerca e lo sviluppo del cuore artificiale a levitazione magnetica completa hanno portato il campo dei cuori completamente artificiali a una nuova fase.