هیچ‌چیزی بیشتر از تلاش‌های ناموفق ما برای تقلید از قلب، مهندسی کامل قلب را به تصویر نمی‌کشد. تاریخ قلب مصنوعی مملؤ از نوآوری‌های درخشان و همچنین شکست‌های بالینی مداوم است.
در سال ۱۹۶۲، جان اف کندی جامعه علمی را سر این موضوع به چالش کشید که تا پایان آن دهه، فردی را روی ماه فرود آورده و و سپس او را سالم به زمین برگرداند. در سال ۱۹۶۴، مایکل دی‌باکی، جراح قلب و عروق، لیندون بی. جانسون رئیس‌جمهور وقت ایالات متحده را برای حمایت مالی از برنامه‌ای با هدف ساخت اولین قلب مصنوعی با عملکردی مستقل متقاعد کرد و رقابتی را برای ساخت موفقیت‌آمیز چنین قلبی پیش از فرود روی ماه به راه انداخت.
بی‌بی‌سی می‌نویسد، در سال ۱۹۶۹، ظاهراً هر دو هدف تحقق پیدا کرد و مؤسسه قلب تگزاس اولین قلب مصنوعی کامل را تنها سه ماه پیش از پرتاب آپولو ۱۱ در بدن بیمار قرار داد. اگرچه درحالی‌که فرود روی ماه به موفقیت‌هایی ازقبیل شاتل فضایی، مریخ‌نورد و ایستگاه فضایی بین‌المللی منتهی شد و تازه‌ترین پیشرفت‌ها در این زمینه هدف ایجاد پایگاهی روی ماه برای فرستادن انسان به مریخ را دنبال می‌کند، هنوز قلب مصنوعی کامل تحقق پیدا نکرده است.
در ابتدا قرار بود قلب مصنوعی جایگزینی دائمی برای قلب ازکارافتاده باشد. البته از‌آنجاکه طرح اولیه قلب مصنوعی دارای کمپرسور خارجی با مجرای هوایی بود که ازطریق پوست وارد بدن بیمار می‌شد، آرزوی ساختن قلبی که می‌توانست جایگزین دائمی برای قلب از کارافتاده باشد، هدفی بسیار بلندپروازانه بود.
درحالی‌که قرار دادن کمپرسور در خارج از بدن مفید بود، چون قطعات مکانیکی (که بیشتر مستعد فرسودگی بودند) قابل تعویض بودند، جعبه بزرگی از تجهیزات باید همیشه همراه بیمار می‌بود. بدیهی است که در این شرایط نمی‌شد انتظار زندگی عادی را برای بیماران داشت.
تاریخچه قلب مصنوعی با تاریخچه پیوند قلب نیز در ارتباط است. پیوند قلب در اوایل دهه ۱۹۶۰ رویایی امیدوارکننده بود و در سال ۱۹۶۷ جراح قلبی به نام کریستین بارنارد در کیپ‌تاون اولین پیوند موفقیت‌آمیز قلب را انجام داد.
اکنون هدف از قلب‌های مصنوعی اولیه تغییر کرده بود. دیگر نیازی نبود که آن‌ها برای یک عمر مناسب باشند. هدف آن‌ها این بود که بیمار را تا زمانی که اهداکننده پیوند پیدا شود، زنده نگه دارند. مانند بسیاری از درمان‌های بسیار تجربی، اولین مورد روی بیماری انجام شد که گزینه دیگری نداشت.
مردی ۴۷ ساله برای ترمیم آنوریسم بطن چپ که دیواره قلب او را نازک و متورم کرده بود، تحت عمل جراحی قرار گرفت. بیمار توسط دستگاه قلب و ریه حمایت می‌شد که قلب او را کنار می‌گذاشت و خون را در بدن او به جریان می‌انداخت. اگرچه در پایان عمل امکان جدا کردن دستگاه از بیمار وجود نداشت، زیرا قلب او خیلی ضعیف بود و وی به شدت به پیوند نیاز داشت.
دنتون کولی، همکار دی‌بیکی، قلب مصنوعی آزمایشی جدید را به بیمار پیشنهاد کرد و او پذیرفت. بیمار به مدت ۶۴ ساعت به کمک دستگاه جدید زنده نگه داشته شد، تا اینکه قلب اهدایی سازگار با او پیدا شد و سپس پیوند را دریافت کرد. این رویداد در آغاز پیروزی بزرگی برای قلب مصنوعی کامل به‌نظر می‌رسید، اما بیمار ۳۲ ساعت بعد بر اثر سپسیس (گَندخونی) از دنیا رفت. علاوه‌بر‌این، دستگاه هم به خون و هم به کلیه‌ها آسیب زده بود و دیواره‌های کیسه‌های اتساع‌پذیر آن پوشیده از لخته‌های خونی بود.
این اتفاق خبر از مشکلاتی می‌داد که همچنان دانشمندانی را که روی ساخت قلب مصنوعی کار می‌کردند، ناکام می‌گذاشت. عفونت و سپسیس چالش مداوم هر وسیله‌ای هستند که دارای سیمی است که باید به‌طور دائمی از پوست عبور داده شود.
دستگاه‌هایی که خون را حرکت می‌دهند، ترکیب خون را تغییر می‌دهند و سطوح خارجی موجب لخته‌شدن خون و درنتیجه سکته و تجزیه خون می‌شود. اولین قلب جارویک، یکی از نسخه‌های بعدی قلب مصنوعی، در پنج بیمار کاشته شد و یکی از آن‌ها به مدت ۶۲۰ روز زنده ماند. اما دو نفر از بیماران دچار سکته مغزی شدیدی شدند و همه‌ی آن‌ها درنهایت به دلیل مشکلات خونی یا سپسیس جان باختند.
پیوند قلب نیز شروع متزلزلی داشت و اولین بیمار بارنارد پس از ۱۸ روز از دنیا رفت. اولین بیمار در بریتانیا که پیوندش در بیمارستان ملی قلب لندن انجام شد، به مدت ۴۵ روز زنده ماند و به‌طور‌کلی موفقیت این روش ناامیدکننده بود.
مشکلی که در اینجا وجود داشت، مکانیسم عمل یا عملکرد اولیه قلب جدید نبود. مشکل عدم سازگاری سیستم ایمنی گیرنده با سیستم ایمنی فرد اهداکننده بود. حتی اگر قلب اهدایی تا حد امکان با بافت‌های اصلی بیمار مطابقت داشته باشد، سیستم ایمنی باید سرکوب شود تا قلب رد نشود.
داروهای ابتدایی سرکوب‌کننده سیستم ایمنی چندان کارآمد نبودند، اما ساخت سیکلوسپورین در اوایل دهه ۱۹۸۰ انقلابی را در سرکوب ایمنی ایجاد کرد که موفقیت پیوند قلب را به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشید. در پی این دستاورد، تعداد افرادی که به پیوند نیاز دارند، بسیار بیشتر از قلب‌های اهدایی شده است. هر سال فقط حدود ۲۰۰ پیوند قلب در بریتانیا انجام می‌شود، درحالی‌که بیش از ۷۵۰ هزار فرد دچار نارسایی قلبی وجود دارد. در سراسر جهان نیز ارقام مشابهی دیده می‌شود.
دانشمندان به‌منظور پر کردن این شکاف، خوک‌ها را ازنظر ژنتیکی تغییر داده‌اند تا قلب آن‌ها با سیستم ایمنی انسان سازگار باشد، به‌طوری‌که بدون رد شدن بتوان آن‌ها را به بیماران انسانی پیوند زد. این کار بسیار پیچیده و چالش‌برانگیز بوده است، اما اولین پیوند بالینی در سال ۲۰۲۲ آغاز شد.
اگرچه موفقیت پیوند قلب جست‌وجو برای قلب مصنوعی کامل را تقویت کرد، هدف جدید آن زنده نگه داشتن بیمار تا زمان پیداشدن اهداکننده بود.
در طول سال‌ها، فناوری‌های قلب مصنوعی ازطریق استفاده از مواد زیست‌سازگارتر، طراحی بهتر دریچه‌ها و مدیریت کارآمدتر جریان خون بهبود پیدا کرده و موفقیت‌هایی به دست آمده است: مطالعه‌ای نشان داد ۸۰ درصد از بیماران با قلب‌های مصنوعی بیش از یک سال و برخی به مدت شش سال زنده ماندند. طولانی‌ترین مدتی که بیماری برای پیوند تحت حمایت این دستگاه بود، ۱۳۷۳ روز بود. اما عوارض شدید عفونی هنوز رایج است و هدف قلب مصنوعی کامل هنوز رویایی دور است.
در همین حین نیاز فوری به پل پیوند (دستگاهی که بیمار را تا زمان دریافت قلب اهدایی زنده نگه دارد)، فناوری را به سمت دیگری حرکت داد. به‌جای جایگزینی کامل قلب ازکارافتاده، این ایده مطرح شد که به قلب ضعیف بیمار کمک کنیم تا خون را در بدن به جریان بیندازد. دستگاه کمک بطنی یا VAD، خون را از مسیر متفاوتی از بطن خارج می‌کرد و آن را با فشار بالایی به آئورت می‌فرستاد. این خون به خونی که از قلب خارج می‌شد، اضافه می‌شد و درنتیجه برون‌ده قلبی را افزایش می‌داد. این رویکرد همچنین مشکل توازن جریان خون راست و چپ قلب را که مهندسان قلب مصنوعی با آن مواجه بودند، رفع کرد.
مقدار خونی که در حلقه «بطن چپ/بدن» در گردش است، باید بسیار نزدیک به مقدار خونی باشد که در حلقه «بطن راست/بدن» در گردش است. با ۱۰۰ هزار ضربان در روز، حتی یک قاشق چای‌خوری تفاوت در هر ضربان می‌تواند ۵۰۰ لیتر خون را به مکان نامناسب اضافه کند.
قلب مکانیسم زیستی پیچیده‌ای را تکامل داده است تا اطمینان حاصل شود که این اتفاق رخ نمی‌دهد اما مهندسان برای اینکه بتوانند همین کار را با سیستم‌های بازخوردی انجام دهند، تلاش بسیار زیادی کردند. با دستگاه‌های کمک بطنی، می‌توان بطن راست یا چپ را به‌طور مستقل حمایت کرد و از این مشکل اجتناب کرد.
دستگاه‌های کمک بطنی چپ (LVAD) انقلابی را در مراقبت از نارسایی قلبی مرحله آخر ایجاد کرده‌اند. اکنون بیش از ۱۵۰۰۰ دستگاه کمک بطنی چپ در سراسر جهان توسط بیماران استفاده می‌شود و حدود یک‌سوم از بیماران دچار نارسایی قلبی مرحله آخر، تحت حمایت دستگاه‌های کمک بطنی چپ قرار دارند.
هدف از دستگاه‌های کمک بطنی چپ معمولاً زنده نگه داشتن بیماران تا رسیدن به پیوند است، اما کمبود قلب اهدایی به این معنا است که بیماران اغلب می‌توانند سال‌ها تحت حمایت از این دستگاه‌ها زنده بمانند.
در مورد این دستگاه‌ها نرخ بقای بیش از ۵۰ درصد در طول هفت سال مشاهده می‌شود و گزارش‌هایی از بیمارانی که تحت حمایت از این دستگاه‌ها تا ۱۳ سال زندگی کرده‌اند، وجود دارد. بنابراین، دستگاه‌های کمک بطنی چپ، خود به یک درمان تبدیل شده‌اند. با پیشرفت فناوری، دستگاه‌های کمک بطنی چپ جدیدتر عملکرد بهتری دارند.
یکی از ایده‌های مهم دانشمندان این بود که از تقلید عملکرد ضربان‌دار قلب دست برداریم و از جریان ثابت خون استفاده کنیم. آن‌ها پره‌های چرخان خون را به شکلی پیوسته به جریان می‌اندازند و جریان یکنواختی را تولید می‌کنند. البته این رویکرد عارضه جانبی عجیب بیمار «بدون نبض» را به همراه دارد که می‌تواند برای پزشک ناآگاه سردرگم‌کننده باشد و همچنین هنگام سازگارشدن بدن به جریان جدید، اثرات ناخواسته‌ای را ایجاد کند. بسته‌های باتری خارجی همچنان ناخوشایند و منبع عفونت هستند، اما سیستم‌هایی درحال توسعه هستند که براساس القا، انرژی را ازطریق پوست (مانند اجاق‌های القایی) منتقل می‌کنند.
واحدهای LVAD در صورت خرابی موقت همچنان به باتری کوچک و کاشته‌شده‌ای نیاز دارند. همچنین مشاهده شده که باتری خارجی توسط سارقان کیف‌دزد از بیماران ربوده شده است.
جست‌وجو برای قلب مصنوعی کاملاً قابل کاشت ادامه دارد. در این راستا، تلاش برای ایجاد واحدهای وراپوستی خارجی، برای تأمین انرژی موردنیاز عملکرد قلب بزرگ‌ترین مانع است. قلب مصنوعی کامل باید در هر دقیقه هشت لیتر خون را دربرابر فشار خون ۱۱۰ میلی‌متر جیوه پمپاژ کند و این کار به انرژی زیادی نیاز دارد.
اندازه کمپرسورها کوچک شده تا قابل‌حمل باشند، اما کوچک کردن آن‌ها به‌حدی که قابل کاشت شوند، چالش‌برانگیز بوده است. به‌نظر می‌رسد فناوری VAD ممکن است راه‌حلی داشته باشد. این روش کمپرسورها را کلاً کنار گذاشته و به‌جای آن برای به جریان انداختن خون از پروانه استفاده می‌کند و دستگاه‌های کمک بطنی راست و چپ با هم کار می‌کنند.
راه‌حل‌ها به‌طرز وسوسه‌انگیزی نزدیک به‌نظر می‌رسند، اما دستیابی به هدف ساده نیست. شکست‌های فراوانی که در طول سال‌ها تلاش دانشمندان حاصل شده، موجب شده است دانشمندان دربرابر مهندسی طبیعی قلب سر تعظیم فرود آورند.
