В поисках искусственного сердца
В ближайшие годы в российские больницы поступят новые приборы для лечения болезней сердца. Разработки ведутся сразу по всем направлениям
Человек не только смертен, но смертен внезапно. Главная причина не вирусы и не катастрофы, а сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). Ни по какой другой причине не умирает столько людей, сколько от них. Если глобально на их долю приходится 31% смертей, то в России — больше половины. Это вдвое выше, чем в странах ЕС.
Когда подводит сердце и лечение уже не помогает, единственным шансом остается сложная операция — установка донорского сердца. Однако биологических протезов на всех не хватает. По статистике в мире их в десять раз меньше, чем пациентов, которым они жизненно необходимы. В России в очереди на пересадку сердца ежегодно стоят примерно полторы тысячи человек, и дождаться «запчасти» удается далеко не каждому. Люди вынуждены месяцами жить рядом с клиникой в ожидании чужого сердца, чтобы при поступлении материала немедленно лечь на обследование, а затем на операцию.
В период, когда донорского сердца еще нет, а медикаменты уже не помогают, пациенту нужно ставить вспомогательное устройство кровообращения. Это может быть искусственное сердце, которое ставится на замену, либо его часть — например, левый желудочек, который «ломается» особенно часто. С такими приборами можно жить месяцы и годы, а если имеются противопоказания к биологической пересадке, то и вовсе отказаться от операции.
Чтобы спасти людей, ученые все еще пытаются создать искусственное сердце, которое можно было бы имплантировать навсегда. Но сделать полный механический аналог живого сердца оказалось крайне сложной задачей. Во-первых, потребность человека в крови постоянно меняется. Встал c кровати — пульс участился. Увидел страшный сон — стал еще чаще. И это в режиме 24/7. Во-вторых, сердце состоит из множества частей, синхронизировать работу которых механическим образом оказывается сложнее, чем швейцарские часы. Но самая главная проблема в том, что искусственные «запчасти» способствуют инфекции и образованию тромбов — стоит крови немного застояться, как она застывает. Плюс имплантируемое в грудную клетку сердце питается через кабель, выходящий из тела, а это тоже проводник для инфекций.
Решить проблему постоянно меняющегося спроса организма на кровь призваны модели искусственного сердца, обеспечивающие ее непрерывное прокачивание. То есть у таких сердец нет пульса. Но что за жизнь без биения сердца? Этот вопрос остается предметом оживленных дебатов в сообществе экспертов. Одни говорят, что пульс нужен, чтобы доставлять кровь к самым маленьким капиллярам, питающим органы. Другие считают, что устройства с непрерывным прокачиванием не хуже тех, что используют специальный насос (с пульсом). Из-за сложностей большинство разработок в сфере искусственного сердца быстро терпят неудачи, однако в последние годы в России появилось несколько новых идей.
Вместо сердца — дисковый мотор
По мнению руководителя Роспатента Григория Ивлиева, в ближайшие пятнадцать лет в нашей стране можно ожидать серьезного прорыва в лечении болезней системы кровообращения. Созданные российскими учеными медицинские приборы и методики для корректировки патологий сосудов и сердца ежегодно входят в топ-100 изобретений Роспатента. Их авторы высоко оценивают шансы на то, что все эти разработки будут востребованы в клинической практике и в конечном счете помогут сберечь тысячи человеческих жизней.
Разработка, с которой связывают большие надежды, — дисковый насос для компенсации работы левого желудочка, созданный учеными ФГБУ НМИЦ имени академика Е. Н. Мешалкина совместно с коллегами из Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича и специалистами АО НПК «Импульс-проект». Устройство получило патент в декабре прошлого года и находится на пороге клинических испытаний. Это комплект титановых дисков, расположенных друг над другом с небольшим зазором, которые крутятся и за счет молекулярного трения захватывают кровь и выбрасывают ее обратно в организм. Диаметр такого дискового насоса всего четыре сантиметра, высота — два сантиметра, при этом он способен качать семь-восемь литров крови в минуту при скорости вращения двигателя до трех тысяч оборотов.
Это рекорд бережного обращения с кровью: в мире неизвестны системы, скорость вращения двигателя которых при перекачивании крови в таких объемах составляла бы менее пяти тысяч оборотов. Еще одна «фишка» отечественного изобретения — ротор, работающий без оси. Он вращается в полости насоса без крепления к чему-либо, фактически зависая в пространстве.
«Процесс отладки левитации был самым сложным, но мы с ним справились и восхищены этим процессом, потому как не всегда удается воплотить идею в реальность, — рассказывает “Эксперту” замдиректора АО НПК “Импульс-проект” Катерина Головина. — Здесь работает явление пограничного слоя жидкости. Например, в осевых и центробежных насосах кровь захватывается направляющими потока либо лопатками электродвигателя и перекручивается. В нашем насосе она проскальзывает по поверхности диска, при этом на кровь не оказывается какое-либо физическое воздействие. Это исключает травмирование элементов крови и минимизирует риск тромбообразования. Тромбы очень опасны, в частности тем, что могут нарастать в полости сердечных насосов и служить препятствием для течения крови. Сложность создания такого насоса в том, что для него требуется разрабатывать все заново, например методику гидродинамических расчетов, испытаний, программирование электродвигателей».
Пока создан один экспериментальный образец. Он проходит стендовые испытания, беспрерывно перекачивая донорскую кровь в условиях, приближенных к реальному организму. Через каждые полчаса ученые смотрят, какая получилась кровь. Допустимый уровень гемолиза (разрушение эритроцитов) — десять миллиграммов на литр, в опытной модели — всего 2,2 миллиграмма. Это хороший результат. Чтобы подкрепить свою уверенность в совместимости титанового мотора с живым организмом, еще в 2018 году ученые провели оперативную шестичасовую апробацию устройства на минипиге. Система оказалась работоспособной, но с недостатками.
«Два года мы ее дорабатывали, — рассказывает “Эксперту” исполняющий обязанности генерального директора ФГБУ НМИЦ имени академика Е. Н. Мешалкина Александр Чернявский. — За это время удалось улучшить конструкцию насоса за счет анализа модели потока жидкости и математических расчетов. До сих пор изучаются различные виды напыления, которые препятствуют тромбообразованию. Над улучшением модели насоса работает большой коллектив, финансирование идет по линии нескольких научных грантов и научно-производственного гранта Фонда содействия инновациям. Нам еще необходимо доказать превосходство нашей модели над имеющимися».
Летом 2019 года был проведен еще один предварительный эксперимент, на этот раз на телятах — животных, чья кровеносная система по своим параметрам схожа с человеческой. Сердечный имплант у них бился две недели, после чего снова начались доработки его конструкции. Длительные испытания на животных начнутся в ближайшие месяцы. Для них на мощностях «Импульс-проекта» будет изготовлено еще три экземпляра сердца.
Текущий год будет посвящен доклиническим испытаниям на лабораторных животных: дисковый насос будут имплантировать телятам. В 2021 году прибор должен поступить в клиники для исследований с участием реальных пациентов.
Ожидается, что себестоимость отечественной модели будет в три-четыре раза ниже зарубежных аналогов, цены на которые стартуют от 75 тысяч долларов, и это без учета расходов на проведение операции.
Российских разработчиков наличие конкурентов не смущает. Александр Чернявский отмечает, что пока не созданы модели, которые отвечали бы всем требованиям безопасности: «Пациенту с искусственным сердцем сегодня необходимо принимать препараты, а большая их доза несет угрозу геморрагического инсульта. Поэтому мы снова обращаемся к разработке этих приборов, чтобы проверить, реально ли использовать модели, минимизировав риск побочных эффектов и осложнений, чтобы наши пациенты получали помощь безоговорочно и свободно в нашей стране. Создавая свой “велосипед”, мы могли бы составить добрую конкуренцию самым мощным образцам искусственного сердца, которые существуют».
Конкуренты из США и Германии
На рынке присутствует несколько аналогичных устройств американской компании SynCardia, которые могут на несколько месяцев или даже лет заменить не просто один желудочек, а полностью человеческое сердце. Первый образец назывался Jarvik-7, он был успешно имплантирован еще в начале 1980-х (этот проект американцы начинали совместно с советскими учеными, но с распадом СССР развалилась и наша часть исследований).
В 1987 году модель искусственного сердца была создана в Германии компанией Berlin Heart, но в медицинскую практику поступили только искусственные левосторонние желудочки INCOR этого производителя. Они заняли устойчивые позиции на рынке, с их помощью производятся десятки тысяч операций на сердце, в том числе пожилым пациентам.
Менее успешными стали эксперименты французской компании Carmat, создавшей в сотрудничестве с Европейским аэрокосмическим и оборонным концерном первое в мире полностью автономное (без рюкзаков и кабельных разъемов) искусственное сердце. Но если поначалу опыты французов давали повод для оптимизма, то в медицинской практике сердца Carmat надежд не оправдали: после трансплантации пациенты умирали в течение нескольких месяцев. В конце 2016 года, после очередной неудачной пересадки, французские власти распорядились приостановить медицинскую практику по вживлению искусственных сердец Carmat.
Подобные разработки велись и в современной России. Проект создания имплантируемого электрогидравлического искусственного сердца был анонсирован в «нулевых» и закрыт в 2010 году на стадии создания лабораторного образца. Его авторы — сотрудники Института проблем управления РАН, Сибирского медицинского государственного университета, НИИ трансплантологии и искусственных органов Минздрава РФ. Тот аналог сердца состоял из двух блоков: роторно-лопастного насоса, обеспечивающего выталкивание крови через полиуретановые эластичные мембраны из искусственных левого и правого желудочков, и гидропривода. Ученые готовились к доклиническим испытаниям, создали оригинальную методику имплантации, вели работы по миниатюризации устройства, которое по многим параметрам уже тогда превосходило имеющийся на рынке американский аналог AbioCor. Но произошла трагедия: ушел из жизни главный идеолог проекта директор НИИ трансплантологии и искусственных органов Валерий Шумаков. Продвигать российское сердце тогда оказалось некому, и оно закономерно остановилось.
Тесты на баранах
В 2012 году усилиями того же института, который сейчас именуется ФГБУ НМИЦ ТИО имени академика В. И. Шумакова, было создано менее сложное устройство по разгрузке левого желудочка сердца — АВКН (аппарат вспомогательного кровообращения носимый). Путь этой разработки оказался более успешным: она прошла все этапы испытаний, зарегистрирована и с 2012 года применяется в медицине. С использованием этого аппарата (производственные партнеры — компании «Биософт-М» и «Дона-М») за восемь лет проведено 60 операций на сердце. Это, впрочем, очень мало. Разработчики уверены, что прибор может соперничать с немецкими аналогами и даже превосходит их по антикоагулянтным свойствам, а его малую востребованность объясняют тем, что он не включен в категорию «Высокотехнологичная медицина» и поставляется в клиники лишь по спецзаказам. Спрос на него низкий из-за того, что российский пациент попросту не может себе его позволить. Хотя стоит он примерно вдвое дешевле, чем иностранные модели.
В числе новых разработок института по этой же тематике — АВКН для детей. «Предназначение устройства аналогичное: компенсация нарушенной функции левого желудочка, — рассказывает “Эксперту” директор института, главный трансплантолог Минздрава РФ Сергей Готье. — Сейчас эти работы в завершающей стадии доклинических исследований, приборы испытывают на баранах, которые живут с ними несколько месяцев. После чего мы извлекаем импланты, разбираем и смотрим, насколько образовались тромбы. Наша задача — создать аппарат с высокими антикоагулянтными свойствами, чтобы минимизировать количество осложнений. Примерно через полгода закончатся эксперименты с животными, и можно будет тестировать устройство в клинике».
Заплатка на десять лет
На стадии доклинических испытаний находится созданная Московским институтом электронной техники искусственная мышца для сердца. Это тоже альтернатива сложной, дорогой и пока малодоступной трансплантации при запущенных поражениях сердца и сосудов, наступающих после обширных инфарктов. С ее помощью врачи могут купировать симптомы сердечной недостаточности и замедлить развитие деградации тканей.
Новая искусственная мышца представляет собой тканеинженерную «заплатку» толщиной порядка двухсот микрометров, в которую интегрированы активные элементы, содержащие электропроводящие слои, ионные электроактивные полимеры и электролит. С помощью элемента питания через электроды «заплатки» подается ионный ток, под его воздействием заплатка изгибается, и сердце снова бьется, но теперь уже подгоняемое искусственной мышцей. Такая «заплатка» для сердца позволит продлить жизнь пациенту в среднем на десять лет. Ее преимущество перед аналогами — использование в качестве ингредиентов электропроводящих слоев композитного наноматериала из сывороточного альбумина — белка плазмы крови быка, а также углеродных нанотрубок и воды. В других подобных «заплатках» применяются золото, платина, палладий. По мнению авторов отечественной разработки, их вариант должен быть выигрышным по биосовместимости и цене.
Стенты с памятью формы
Другая передовая разработка — периферические стенты из биорастворимого полимера с памятью формы, разработанные компанией «Современные технологии». Это специальные каркасы, которые устанавливаются в просвет сосуда в месте его сужения, тем самым препятствуя дальнейшему стенозу и нарушению кровотока вплоть до полного закрытия кровоснабжения. Стенты призваны купировать развитие одного из самых распространенных заболеваний системы кровообращения — атеросклероза нижних конечностей, которое нередко заканчивается ампутацией, а она, в свою очередь, смертельным исходом у 50% больных в течение первого года после хирургического вмешательства.
На рынке давно есть множество моделей стентов, в основном американских производителей, но они дороги и имеют все тот же недостаток, что и многочисленные насосы для сердца: требуют приема больших доз кроверазжижающих препаратов, могут привести к смещению или травмированию стенок сосудов.
«Известные металлические аналоги приводят к осложнениям в среднем в 30 процентах случаев. Мы считаем, что наша технология позволит сократить их в два раза за счет того, что наш имплант растворяется, тем самым снижая значение хронического токсического эффекта. Таким образом, пациенты в два раза реже будут поступать в стационары для повторной операции, — поясняет “Эксперту” гендиректор компании Леонид Глущенко. — Что же касается стентов из растворимых полимеров, которые есть в США, здесь наши преимущества в памяти формы и в оригинальной конструкции устройства: особое расположение упругих продольных и поперечных элементов. Мы надеемся, что все это позволит вдвое сократить количество осложнений после операции».
Российские стенты прошли доклинические испытания на животных, в этом году компания планирует начать самый ответственный этап — клинические исследования с участием добровольцев. При успешном завершении этого этапа может быть два пути: продажа компанией авторских прав на патент или создание нового предприятия, например научно-исследовательского, которое впоследствии будет получать выручку от продажи лицензии, или предприятия с полной производственной цепочкой. Для производства стентов скорее всего будет создано отдельное предприятие.
Впрочем, и при самом удачном раскладе нет четких гарантий, что российская разработка станет массово востребованной в хирургической практике. Медицина — весьма консервативная отрасль, а биорезорбируемые изделия только начинают свое развитие и занимают очень небольшую нишу в рамках устройств для молодых пациентов. Поэтому для отечественного разработчика, как это ни парадоксально, выгодно, чтобы на рынке присутствовало как можно больше игроков с подобной продукцией. По словам Леонида Глущенко, это повысит уровень доверия клиник и пациентов к стентированию новыми имплантами, в итоге всем станет легче.
Пептиды против ишемии
В консервативных методах лечения, призванных не допустить развития ССЗ до угрожающих жизни стадий, прогресс не столь очевиден. Новые фармпрепараты патентуются крайне редко, еще реже они доходят до производства. Связано это в первую очередь со спецификой отрасли, в которой путь от молекулы до таблетки в любой стране мира сложный и дорогостоящий. Если поступающие на рынок новые медизделия сразу получают оценку потребителя и соответственно ей перспективу распространения, то признание преимуществ новых лекарств перед теми, что уже есть в арсенале медиков, так быстро не происходит.
Тем не менее в фармакологии для сердца намечается тренд. Рустам Галеев, медицинский директор подразделения компании Teva в России и Евразии (транснациональная фармкомпания со штаб-квартирой в Израиле), в беседе с «Экспертом» отметил, что акцент будет делаться на препараты с применением фиксированных комбинаций из двух-трех действующих веществ. Такие лекарства сложнее для производителей, так как процесс их создания более трудоемкий и логистические издержки выше, но именно такие средства, по его оценке, позволяют облегчить схему лечения. Постепенно комбинированные лекарства будут появляться в портфелях российских фармпроизводителей, но все они будут с иностранной «начинкой».
Из зарегистрированных в России изобретений последних лет — созданные в 2017 году исследователями Российского кардиологического научно-производственного комплекса структурные аналоги пептида галанина, способные улучшать функцию сердечно-сосудистой системы при повреждениях, вызванных ишемией. Ученые доказали, что выделяющийся из симпатических нейронов сердца галанин стимулирует регенерацию участков нервных клеток в сердце при ишемии. Происходит это, предположительно, за счет запуска галанином сигнального пути через определенный рецептор, способный снижать гибель кардиомиоцитов. Однако этот пептид плохо растворим в воде, что делает его сложной мишенью для исследования. Поэтому его решили синтезировать, чтобы получить молекулу с улучшенными свойствами.
В настоящее время идут доклинические испытания на животных, которые показывают, что синтезированные аналоги пептида способны снижать размеры инфаркта миокарда. На их базе можно создавать противоишемические препараты. Но пока это туманная перспектива.
«Предстоят клинические исследования, а это отдельный проект. На него надо искать финансирование, только добровольцам за согласие на участие в этом эксперименте нужно выплатить более чем по сто тысяч рублей. Конечно, мы будем бороться, продвигать очередной этап в разных министерствах, налаживать связи с производителями лекарств. Но это непростой и небыстрый путь. В Америке из ста перспективных молекул получается одно лекарство, на его выпуск уходит от десяти до тринадцати лет и 800 миллионов долларов», — поделился с «Экспертом» на условиях анонимности один из авторов разработки.
Все собеседники «Эксперта» отмечают, что процент смертности от ССЗ будет снижаться параллельно росту качества медобслуживания, а оно зависит как от организации медицины в конкретных регионах, доступности эффективных лекарств, так и от внедрения в медицинскую практику инновационных подходов к лечению. Сами ученые рассчитывают на инициативы сверху, полагая, что в российских реалиях перед наукой необходимо ставить четкие задачи и иногда напоминать об их государственной важности. С прицелом на то, чтобы новые разработки принесли реальную пользу, а не ушли в архив.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl