Polscy naukowcy tworzą sztuczne serce dla dzieci

Spis treści

• Jak ma działać sztuczne serce dla dzieci?
• Projekt HEART4KID – inteligentne sterowanie i bezprzewodowe zasilanie serca
• Biozgodność implantu i przesyłanie energii przez skórę
• Sztuczne serce jako pomost do przeszczepu serca u dzieci
• FAQ

Jak ma działać sztuczne serce dla dzieci?

Na Politechnice Łódzkiej rozpoczęto międzynarodową współpracę nad opracowaniem sztucznego serca dla dzieci o masie ciała od 10 do 30 kilogramów. W przedsięwzięciu uczestniczą naukowcy, lekarze oraz przedstawiciele przemysłu. Badania obejmują inżynierię mechaniczną, biomedyczną, elektronikę, robotykę i medycynę. Projekt HEART4KID został zainicjowany przez łódzką uczelnię. Współpracę wspiera również przedsięwzięcie SEED BEAT, realizowane w ramach europejskiej sieci uczelni ECIU. Łączy ono zespoły z Aveiro, Barcelony, Kowna i Łodzi. Wspólnym zadaniem specjalistów jest opracowanie rozwiązania dostosowanego do potrzeb dzieci z ciężką niewydolnością serca.

Podczas spotkania poprzedzonego briefingiem na Politechnice Łódzkiej, założenia projektu przedstawił prof. Jacek Moll, kardiochirurg, który przez kilkadziesiąt lat kierował Kliniką Kardiochirurgii Dziecięcej w Instytucie Centrum Zdrowia Matki Polki w Łodzi. Wyjaśnił, że skonstruowanie sztucznego serca dla dziecka wymaga uwzględnienia szczególnych potrzeb młodego organizmu. Urządzenie nie może pompować niezmiennej ilości krwi, niezależnie od zachowania pacjenta. Musi reagować na jego aktywność. Inne zapotrzebowanie występuje podczas odpoczynku, a inne w trakcie biegania czy intensywnego ruchu.

„Urządzenie musi pracować, zmieniając rzut serca, czyli ilość krwi pompowanej w miarę tego, jak pacjent się zachowuje. Jeżeli chce poruszać się, pobiegać, to musi pracować szybciej i wydajniej. U dzieci skonstruowanie takiego urządzenia jest szczególnie trudne, bo to pacjenci, którzy rosną, zatem serce musi wydajnie pracować w miarę ich wzrostu”

Prof. Jacek Moll – kardiochirurg

Jednym z najważniejszych zagadnień, jest zmiana zapotrzebowania organizmu na krew wraz z rozwojem dziecka. Sztuczne serce powinno zapewniać odpowiednią wydajność zarówno w momencie wszczepienia, jak i na kolejnych etapach wzrostu pacjenta. Konstrukcja musi więc uwzględniać nie tylko aktualną masę ciała, lecz także późniejsze zmiany fizjologiczne. Badacze chcą stworzyć urządzenie, które będzie regulowało swoją pracę bez konieczności wykonywania kolejnych operacji wyłącznie z powodu wzrostu dziecka. To jedno z podstawowych założeń projektu HEART4KID.

Projekt HEART4KID – inteligentne sterowanie i bezprzewodowe zasilanie serca

Prace nad sztucznym sercem, obejmują także sposób jego zasilania i sterowania. Prof. Jacek Moll zwrócił uwagę na ograniczenia urządzeń stosowanych u dorosłych pacjentów. Część takich rozwiązań wymaga korzystania z zewnętrznych elementów o znacznych rozmiarach, które chory musi stale nosić przy sobie, na przykład w plecaku. Dodatkowym utrudnieniem jest osobny napęd sztucznego serca. W przypadku dziecka takie rozwiązania oznaczają szczególne ograniczenia. Dlatego naukowcy zamierzają opracować system, który połączy dostosowywanie pracy serca do potrzeb organizmu z inteligentnym sterowaniem oraz bezprzewodowym przekazywaniem energii.

W realizacji projektu uczestniczy polska firma Quantum Innovations. Jej prezes, kardiochirurg Grzegorz Suwalski, poinformował o opracowanych przez przedsiębiorstwo technologiach czujników wykorzystywanych w kardiochirurgii. Rozwiązania te pozwalają rozpoznawać stan pracy mięśnia sercowego. Czujniki mogą być również wszczepiane na stałe do organizmu. Zespół chce wykorzystać je przy opracowywaniu sztucznego serca dla najmłodszych pacjentów.

„Chcemy te nasze technologie sensorów, które wyczuwają status pracy mięśnia sercowego i mogą być implantowane na stałe do organizmu, wykorzystać w projekcie sztucznego serca dla dzieci. Sensory powinny wyczuwać metaboliczne potrzeby organizmu i koordynować je razem z pracą układu nerwowego. W ten sposób możemy uzyskać jeszcze lepsze sterowanie. Dziecko rośnie, zmieniają się warunki i jego aktywność. Doskonale by było, gdyby takie sztuczne serce umiało słuchać organizmu, ile ma mu podać krwi, i żeby nie wykonywał tego jedynie komputer czy algorytm”

Grzegorz Suwalski – kardiochirurg, prezes zarządu Quantum Innovations

Opracowywany system ma uwzględniać informacje dotyczące zapotrzebowania metabolicznego organizmu. Czujniki powinny rozpoznawać zmieniające się potrzeby dziecka i przekazywać dane niezbędne do regulowania ilości pompowanej krwi. Znaczenie ma również powiązanie tych informacji z pracą układu nerwowego. Zgodnie z założeniami projektu, sterowanie nie powinno opierać się wyłącznie na działaniu komputera lub algorytmu. Badacze chcą, aby sztuczne serce reagowało na sygnały płynące z organizmu i odpowiednio zmieniało swoją wydajność. Dotyczy to zarówno codziennej aktywności, jak i zmian zachodzących podczas wzrostu małego pacjenta.

Takie rozwiązanie ma również ograniczyć potrzebę ponownych zabiegów chirurgicznych. Obecnie wzrost dziecka korzystającego z mechanicznego wspomagania krążenia, może oznaczać konieczność kolejnych operacji. Projekt HEART4KID zakłada opracowanie konstrukcji, która będzie mogła dostosowywać swoją pracę do zmieniających się warunków bez każdorazowej wymiany urządzenia. Naukowcy muszą jednocześnie rozwiązać problem zasilania sztucznego serca, w sposób odpowiedni dla najmłodszych pacjentów.

Biozgodność implantu i przesyłanie energii przez skórę

Jednym z najtrudniejszych zadań w projekcie HEART4KID, pozostaje opracowanie sposobu bezprzewodowego przekazywania energii do urządzenia umieszczonego w organizmie dziecka. Chodzi o rozwiązanie, które nie będzie wymagało naruszania ciągłości skóry w celu doprowadzenia zasilania. Na ten problem zwrócił uwagę dr hab. inż. Maciej Gawlikowski z Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Zbigniewa Religi. W jego ocenie, międzynarodowe przedsięwzięcie ma szansę podjąć zagadnienia, których dotychczas nie udało się w pełni rozwiązać ani w Unii Europejskiej, ani w innych krajach świata.

Drugim wyzwaniem jest synchronizacja pracy sztucznego serca z rzeczywistym zapotrzebowaniem metabolicznym organizmu. Urządzenie powinno reagować na zmiany związane z odpoczynkiem, ruchem i rozwojem dziecka. Odpowiednie sterowanie wymaga połączenia informacji o stanie pacjenta z działaniem mechanizmu pompującego krew. Opracowanie takiego systemu, stanowi jeden z głównych obszarów współpracy naukowców, inżynierów i lekarzy.

Kolejna kwestia dotyczy materiałów, z których zostanie wykonany implant. Muszą one być odpowiednio zgodne biologicznie z organizmem biorcy. Badacze analizują możliwość pokrywania materiałów sztucznych lub pochodzenia biologicznego komórkami pacjenta. 

„Następny problem to pokrywanie materiałów, czy to sztucznych, czy pochodzenia biologicznego, komórkami biorcy tak, by stworzyć idealnie biozgodny implant, którego organizm nie jest w stanie nie tylko zwalczać, ale również odrzucić”

Dr hab. inż. Maciej Gawlikowski – Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. prof. Zbigniewa Religi

Biozgodność materiałów, dopasowanie pracy urządzenia do potrzeb metabolicznych oraz przekazywanie energii przez nienaruszoną skórę to trzy główne problemy techniczne wskazane przez uczestników projektu. Ich rozwiązanie wymaga współpracy specjalistów z różnych dziedzin. W przedsięwzięciu uczestniczą osoby zajmujące się medycyną, elektroniką, robotyką i inżynierią biomedyczną. Każdy z tych obszarów odpowiada za inny element przyszłego urządzenia. Ostatecznym celem pozostaje stworzenie sztucznego serca przeznaczonego dla organizmu dziecka, którego potrzeby zmieniają się wraz ze wzrostem.

Sztuczne serce jako pomost do przeszczepu serca u dzieci

Najważniejszym zadaniem sztucznego serca opracowywanego w ramach projektu HEART4KID, ma być utrzymanie przy życiu dziecka oczekującego na przeszczep. Uczestnicy spotkania na Politechnice Łódzkiej przypomnieli, że pomimo ponad 40 lat badań i prób nadal nie powstało idealne sztuczne serce dla dorosłych pacjentów. Stworzenie podobnego urządzenia dla dzieci jest jeszcze trudniejsze. Wynika to między innymi z ich wzrostu oraz konieczności dostosowywania ilości pompowanej krwi do zmieniającego się zapotrzebowania organizmu.

Prof. Jacek Moll wskazał, że przeszczepienie serca pozostaje obecnie najlepszą metodą leczenia pacjentów wymagających zastąpienia niewydolnego narządu. W przypadku dzieci podstawową przeszkodą jest jednak niewielka liczba odpowiednich dawców. Konieczne jest dopasowanie wielkości serca do organizmu biorcy. Znacznie ogranicza to możliwości znalezienia narządu dla najmłodszych pacjentów.

„W tej chwili nie ma lepszej metody niż przeszczep serca. Jednak u najmłodszych pacjentów to jest bardzo duży problem, bo nie ma dawców dziecięcych. Nie można 10-latkowi przeszczepić serca od dorosłego. Dlatego tak zależałoby nam na stworzeniu sztucznego serca dla dzieci”

Prof. Jacek Moll – kardiochirurg

Problemy związane z oczekiwaniem na odpowiedni narząd, pokazuje historia 13-letniego Tymka Pluszkiewicza. Chłopiec potrzebował pilnego przeszczepienia serca. Jego rodzice wystosowali publiczny apel o zgodę na pobieranie narządów od zmarłych dawców. Wiadomo było, że znalezienie odpowiedniego serca w ciągu najbliższych dni ma decydujące znaczenie dla życia dziecka. Ostatecznie narząd znaleziono w Pradze. Dla Tymka było już jednak za późno, ponieważ rozwinęła się u niego sepsa. Serce, które miało zostać przeszczepione chłopcu, uratowało życie innemu dziecku. Historię opisywał serwis tvn24.pl.

O trudnościach związanych z transplantacjami u najmłodszych pacjentów mówił również prof. Michał Grąt z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego. Wyjaśniał, że dzieci często muszą oczekiwać na przeszczep dłużej niż osoby dorosłe. 

„Niektóre narządy wymagają bardziej ścisłego doboru immunologicznego, inne mniej. Na pewno w przypadku większości z nich liczy się rozmiar. Dlatego tak trudna jest sytuacja dzieci oczekujących na przeszczepy”

Prof. Michał Grąt – Warszawski Uniwersytet Medyczny

Skalę transplantacji serca u dzieci przedstawiają dane Międzynarodowego Towarzystwa Przeszczepiania Serca i Płuc (ISHLT). Wynika z nich, że liczba takich operacji na świecie wzrosła w latach 2005–2024. W 2005 roku wykonano 363 przeszczepienia serca u pacjentów pediatrycznych. W 2024 roku liczba ta wyniosła już 700. Przeszczepy serca u dzieci stanowią obecnie 11 proc. wszystkich transplantacji tego narządu na świecie.

Według przytoczonych danych głównymi wskazaniami do przeszczepienia serca w grupie pediatrycznej są wrodzone wady serca oraz kardiomiopatia rozstrzeniowa. Pierwsza z tych grup odpowiada za 43 proc. wskazań do transplantacji. Druga stanowi 39 proc. przypadków. Dane dotyczące dziecięcych dawców narządów pokazują natomiast, że 43 proc. z nich umiera w wyniku urazów głowy, a 38 proc. wskutek niedotlenienia.

Trudności związane z przeszczepianiem serca najmłodszym pacjentom, ilustruje także przypadek niemowlęcia leczonego w Śląskim Centrum Chorób Serca w Zabrzu. Dziewczynka przeszła skomplikowaną transplantację w wieku zaledwie siedmiu tygodni. Jej historię opisano w artykule Zabrze – Gabrysia z nowym sercem kończy 3 miesiące.

Projekt HEART4KID ma stanowić odpowiedź na potrzeby dzieci, dla których znalezienie narządu do przeszczepienia jest szczególnie trudne. Naukowcy z Politechniki Łódzkiej i współpracujących instytucji zamierzają opracować urządzenie dostosowane do pacjentów ważących od 10 do 30 kilogramów. Jego praca ma zależeć od aktywności oraz wzrostu dziecka. Przed zespołem pozostają jednak wyzwania związane z doborem materiałów, zasilaniem i sterowaniem sztucznym sercem. Głównym celem prac jest stworzenie rozwiązania umożliwiającego najmłodszym pacjentom oczekiwanie na transplantację.

Powiązane artykuły

• Katowice – rodzice walczą o dostęp do specjalistycznego leczenia dzieci
• Zbiórki na leczenie – Ministerstwo Zdrowia szykuje zmiany

FAQ

Dla jakich dzieci powstaje sztuczne serce HEART4KID?

Urządzenie jest projektowane dla dzieci z ciężką niewydolnością serca o masie ciała od 10 do 30 kilogramów. Jego głównym zadaniem ma być podtrzymanie życia pacjenta oczekującego na przeszczepienie serca.

Kto pracuje nad sztucznym sercem dla dzieci w Polsce?

Projekt HEART4KID zainicjowała Politechnika Łódzka. W pracach uczestniczą naukowcy, lekarze, inżynierowie i przedstawiciele przemysłu, w tym firma Quantum Innovations. Międzynarodową współpracę wzmacnia projekt SEED BEAT w ramach sieci ECIU, łączący zespoły z Aveiro, Barcelony, Kowna i Łodzi.

Czy sztuczne serce będzie dostosowywało się do wzrostu dziecka?

Takie jest jedno z głównych założeń projektu. Naukowcy chcą opracować urządzenie, które będzie zmieniało wydajność pompowania krwi zależnie od aktywności pacjenta oraz potrzeb organizmu zmieniających się podczas jego wzrostu.

W jaki sposób ma być zasilane sztuczne serce dla dzieci?

Projekt zakłada bezprzewodowe przekazywanie energii przez skórę, bez konieczności naruszania jej ciągłości. Opracowanie takiego rozwiązania jest jednym z najważniejszych wyzwań technicznych wskazanych przez naukowców.

Jaką rolę mają pełnić czujniki w sztucznym sercu?

Czujniki mają rozpoznawać stan pracy serca oraz potrzeby metaboliczne organizmu. Informacje te powinny pomagać w regulowaniu ilości pompowanej krwi. Technologie tego rodzaju rozwija polska firma Quantum Innovations.

Dlaczego skonstruowanie sztucznego serca dla dzieci jest trudniejsze niż dla dorosłych?

Dzieci rosną, a ich zapotrzebowanie na przepływ krwi zmienia się wraz z rozwojem i aktywnością fizyczną. Urządzenie musi uwzględniać te zmiany. Dodatkowymi wyzwaniami są jego rozmiary, sposób zasilania oraz biologiczna zgodność zastosowanych materiałów.

Czy sztuczne serce HEART4KID ma zastąpić przeszczep?

Podstawowym celem projektu jest stworzenie urządzenia, które podtrzyma życie dziecka do czasu znalezienia odpowiedniego narządu. 

Ile przeszczepów serca wykonuje się u dzieci na świecie?

Według przytoczonych danych Międzynarodowego Towarzystwa Przeszczepiania Serca i Płuc w 2005 roku wykonano 363 transplantacje serca u dzieci, a w 2024 roku 700.

Jakie choroby są najczęstszym wskazaniem do przeszczepienia serca u dzieci?

Według danych Międzynarodowego Towarzystwa Przeszczepiania Serca i Płuc wrodzone wady serca stanowią 43 proc. wskazań do transplantacji u dzieci. Kardiomiopatia rozstrzeniowa odpowiada za 39 proc. przypadków.

Źródło: TVN24