Искусственный клапан сердца

Перед вами первый в мире искусственный сердечный клапан. Этот его экземпляр хранится в коллекции Национального музея американской истории. Клапан представляет собой полую трубку из оргстекла, или полиметилметакрилата (также известного под названиями акрил, плексиглас, люцит и др.) со сферическим расширением в средней части, внутри которого расположен полый шар из метилметакрилата размером с горошину. На каждом конце трубки находятся кольца из нейлона для пришивания к стенке сосуда. Такую конструкцию разработал американский хирург Чарльз Хафнагель (Charles A. Hufnagel). В 1952 году он успешно имплантировал протез в нисходящую аорту женщины, страдавшей недостаточностью аортального клапана (он находится между аортой и левым желудочком). Протез играл лишь вспомогательную роль, ассистируя естественному аортальному клапану пациента и облегчая симптомы. Свободно движущийся шарик смещался током крови с каждым ударом сердца, а затем возвращался обратно, закрывая трубку и препятствуя регургитации, то есть обратному току крови. При работе клапана метакрилатный шарик создавал шум, слышимый даже на расстоянии. Позже его заменили на нейлоновый, покрытый силиконовой резиной.

Примечательно, что Хафнагель имплантировал первый искусственный клапан за год до первой успешной операции на сердце с применением аппарата искусственного кровообращения (АИК). Поэтому ему приходилось оперировать быстро, держа аорту пережатой не дольше получаса во избежание необратимого повреждения спинного мозга. Всего было имплантировано более 200 клапанов Хафнагеля, часть из них функционировала в течение 30 лет без признаков износа. Однако у некоторых пациентов со временем внутри клапана стали образовываться тромбы. У протеза был плохой гемодинамический профиль, он лишь облегчал течение симптомов, но не избавлял от них. И тем не менее Хафнагель доказал, что синтетические материалы годятся для протезирования сердечно-сосудистой системы.

С развитием АИК хирурги получали во время операций доступ ко всем камерам сердца, и это открывало новые возможности. Первую успешную операцию с применением АИК провел американский кардиохирург Джон Гиббон-младший 6 мая 1953 года. Он разработал свой аппарат, хотя были и другие. А первый из них применил советский физиолог Сергей Брюхоненко в 1920-е годы. Он проводил опыты на собаках, и 1 ноября 1926 года совместно с физиологом Сергеем Чечулиным он успешно поддерживал жизнь собаки с помощью АИК в течение 137 минут.

Следующим этапом в развитии протезирования сердечных клапанов стало их использование в виде основного клапана, а не дополнения к поврежденному. На конструкцию таких клапанов создателей вдохновила... винная пробка. И не какая-нибудь, а запатентованная в 1858 году.

Справа — схема из патента Джеремайи Уильямса (Jeremiah B. Williams) 1858 года на улучшенную пробку для винной бутылки (fig. 2 — в разрезе). Стеклянный или мраморный шарик (f) ограничен металлической клеткой (e) и свободно в ней движется, когда нужно налить вино. Рисунок с сайта patents.google.com. Слева — пробка Уильямса. Фото с сайта worthpoint.com

Клапаны по типу «шарик в клетке» были выбраны, поскольку не имели шарниров, что сводило к минимуму разрушение клеток крови и образование тромбов. Также шарик вращался случайным образом, поэтому его износ был равномерным.

Первый клапан такого типа и первый искусственный аортальный клапан был имплантирован пациенту 10 марта 1960 года. Операцию провел американский хирург Дуайт Харкен (Dwight Harken). Его протез представлял собой двойную клетку из нержавеющей стали с шариком из твердой силиконовой резины внутри и с кольцом, имеющим тефлоновую подложку. Протез пришивался к остаткам клапана пациента шелковой нитью. Пациент выжил, его клапан проработал три года и нуждался в замене. Другой выживший пациент прожил с протезом 22 года и умер из-за последствий операции на предстательной железе. Извлеченный клапан выглядел почти как новый. Остальные пять пациентов скончались, и программу приостановили.

В то же время инженер на пенсии Майлз Лоуэлл Эдвардс (Miles Lowell Edwards) и молодой кардиохирург Альберт Старр разработали конструкцию с одинарной клеткой из люцита, шариком из силиконовой резины и кольцом в основании из тефлоновой ткани. Такой протез имплантировали 21 сентября 1960 года 52-летнему пациенту вместо его собственного кальцинированного митрального клапана. Мужчина прожил после этого 10 лет и умер, упав с лестницы, в результате кровопотери, так как пациенты с механическими клапанами вынуждены всю жизнь принимать антикоагулянты. Позже люцит и силиконовую резину заменили на стеллит (сплав кобальта, хрома, молибдена и никеля), однако такой клапан был слишком шумным, поэтому металлические стойки стали покрывать тканью. Но тут возникла другая проблема: стеллитовый шарик повреждал ткань. А резиновый впитывал липиды и деформировался. Выходом стал процесс термоотверждения силиконового шарика. С 1960-х годов было имплантировано около 800 тысяч подобных клапанов. Но в 2007 году их сняли с производства из-за высокого риска тромбоэмболии и других осложнений.

Слева — клапан Харкена — Сороффа из нержавеющей стали и силиконового шарика. Справа — клапан Старра — Эдвардса со стеллитовой клеткой и шариком из силиконовой резины. Фото из статьи A. De Martino et al., 2022. The Caged-Ball Prosthesis 60 Years Later: A Historical Review of a Cardiac Surgery Milestone

Однако до сих пор в сердцах многих людей работают клапаны Старра — Эдвардса. Например, известен случай, когда женщине 37 лет в 1970 году заменили на протез митральный клапан. В 2005 году ей провели операцию по катетеризации сердца из-за атеросклероза и установили кардиовертер-дефибриллятор (тип кардиостимулятора). Клапан функционировал нормально. Женщина скончалась в возрасте 85 лет по причинам, не связанным с функцией клапана. То есть 49 лет она отлично жила с протезом, не испытывая ограничений.

Протез митрального клапана Старра-Эдвардса в сердце 60-летней пациентки, проходившей с ним 50 лет. Установил клапан южноафриканский хирург Кристиан Барнард, известный как человек, проведший первую операцию по пересадке сердца. Позже клапан пришлось заменить из-за его протекания. Видео из статьи P. Masiello et al., 2021. Caged-Ball Mitral Prosthesis Explanted After 50 Years

Но рекорд долговечности принадлежит протезу, функционирующему в аорте пациентки 51 год (на момент 2017 года). В 1966 году ей был установлен аортальный протез Старра — Эдвардса, два года спустя в нем заменили шарик. В возрасте 67 лет в 2017 году пациентке пришлось заменить митральный клапан на современный протез (двустворчатый, речь о котором пойдет ниже), аортальный же оставили.

Слева — 3D-компьютерная томография сердца пациентки, показывающая клапан Старра — Эдвардса в аорте. Фото из статьи M. Amrane et al., 2017. Starr–Edwards aortic valve: 50+ years and still going strong: a case report. Справа — сердце 67-летней пациентки с двумя клапанами Старра — Эдвардса: аортальным (выше) и митральным, которым на момент снимка по 38 лет. На фото A показана систола (сокращение желудочков и выброс крови из сердца в аорту), аортальный клапан открыт (стрелка), на B — диастола, открыт митральный клапан, аортальный закрыт. Фото из статьи N. Piazza, J. Gregoire, 2008. Starr–Edwards Heart Valves

В дальнейшем были разработаны различные модификации клапанов типа «шарик в клетке», но никакие из них не были настолько же успешны, как клапаны Старра — Эдвардса. Были изобретены поворотно-дисковые клапаны, которые заменяли митральный и трикуспидальный клапаны сердца, а также двустворчатые клапаны, более компактные, чем клапаны Старра — Эдвардса, и создающие ток крови, близкий к ламинарному. Золотым стандартом современных механических клапанов считаются двустворчатые клапаны St. Jude Medical, изготовленные из пиролитического углерода, со створками на шарнирах. Впервые клапан такого типа был имплантирован в 1977 году и с тех пор его конфигурация не особенно поменялась.

Гемодинамика клапана «шарик в клетке», поворотно-дискового и двустворчатого. Рисунок с сайта thoracickey.com

Механические сердечные клапаны хороши своей износостойкостью и долговечностью, однако носящим их пациентам необходимо всю жизнь принимать антикоагулянтную терапию во избежание образования тромбов. Также эти клапаны подвержены инфицированию и некоторым поломкам. Существуют еще разные варианты биопротезов из тканей животных, но они имеют более короткий срок службы из-за кальцинирования, хотя гемодинамически они более стабильны и наиболее близки к естественным клапанам. Всего за более чем 70-летнюю историю протезирования сердечных клапанов было создано и имплантировано более 70 типов конструкций! И нет предела совершенству, задач и проблем нужно решить еще немало.

В заключение хочется сказать, насколько надежны на самом деле клапаны наших сердец. При том, что на них приходится огромная нагрузка. Ученые подсчитали, что при средней частоте сердечных сокращений 70 ударов в минуту в течение 80 лет сердечные клапаны открываются и закрываются 3 миллиарда раз! Человеческое сердце за жизнь перекачивает более 210 миллионов литров крови, что эквивалентно миллиону баррелей, которые могли бы заполнить 3 супертанкера. Несмотря на это только менее 2% населения (данные по США) страдают от заболеваний сердечных клапанов.

Больше об истории хирургии можно узнать из книги британского кардиохирурга Стивена Уэстаби «Хирурги, святые и психопаты. Остросюжетная история медицины», которая и вдохновила меня на этот текст.

Фото с сайта americanhistory.si.edu.

Юлия Михневич