碳基生物機(jī)械化的一大步——人工心臟
在大火醫(yī)療劇《關(guān)于唐醫(yī)生的一切》中，聰慧、堅(jiān)毅而又有些“軸”的海歸心臟外科女醫(yī)生唐佳瑜獲得了觀眾的關(guān)注，尤其是她主導(dǎo)研發(fā)的“全磁懸浮人工心臟”。
今天我就給大家說說這個(gè)“全磁懸浮人工心臟”是怎么回事。首先應(yīng)該明確的是全人工心臟的英文是Total Artificial Heart (TAH)，它是能夠全面代替左右心的泵血功能的機(jī)械心臟。在連續(xù)劇中提到的人工心臟應(yīng)該指的是心室輔助裝置，英文名 Ventricular Assist Devices（VAD），它用來代替心臟心室泵血。心力衰竭是全球醫(yī)學(xué)的重大挑戰(zhàn)。心力衰竭發(fā)展到終末期后，治療管理手段極其有限。
心臟移植是公認(rèn)的有效治療手段，但由于供體心臟數(shù)量及其有限，目前我國(guó)每年僅能完成數(shù)百例心臟移植。相對(duì)于數(shù)十萬量級(jí)有可能通過心臟移植而受益的患者，心臟移植的作用可謂杯水車薪。雖然據(jù)研究，心臟也有一些其他功能，但最主要的就是一個(gè)血液泵的作用，其機(jī)械的泵血功能如果被替代，就可以挽救重度心衰患者的生命。
人工心臟的研制歷史其實(shí)已經(jīng)比較久遠(yuǎn)了，概念的提出甚至可以追溯到1812年。1812年Julien Jean Cesar LeGallois 提出“機(jī)械循環(huán)輔助”的概念。一百多年后，在1937年，蘇聯(lián)醫(yī)學(xué)家Vladimir P. Demikhov博士開發(fā)了全人工心臟(TAH)裝置。
1953年美國(guó)外科醫(yī)生Gibbon，研制出第一臺(tái)用于人類心臟外科手術(shù)的體外循環(huán)機(jī)，并成為體外循環(huán)之父。他與梅奧診所（Mayo Clinic）分享了他的設(shè)備，他們繼續(xù)推進(jìn)該設(shè)備，將其命名為“Mayo Gibbon型體外循環(huán)機(jī)”，從而挽救了數(shù)百名患者。從理論上來講人工心臟就是縮小版的、損傷更小的、能夠長(zhǎng)時(shí)間使用的血泵設(shè)備。
1950年代，美國(guó)的科爾夫（Kolff）博士在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心開發(fā)了一種全人工心臟，并應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。而第一個(gè)獲得人造心臟專利的是美國(guó)人保羅溫切爾（Paul Winchell）（1963年）。多年后，溫切爾將專利權(quán)轉(zhuǎn)讓給科爾夫。1967年，科爾夫離開克利夫蘭診所，在猶他大學(xué)創(chuàng)立了人工器官部門，繼續(xù)從事人工心臟方面的工作。1969年4月4日，多明戈·利奧塔 ( Domingo Liotta )和丹頓·A·庫利 ( Denton A. Cooley )在休斯頓的德克薩斯心臟中心用胸腔內(nèi)的機(jī)械心臟替換了垂死之人的心臟，這是世界上首次臨床植入全人工心臟。
在賓夕法尼亞州立大學(xué)，William Pierce博士開發(fā)了一種氣動(dòng)心臟輔助裝置。該設(shè)備最終成為Thoratec氣動(dòng)VAD，這是第一個(gè)被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)為移植過渡的VAD。第一代VAD裝置，氣體驅(qū)動(dòng)，并且產(chǎn)生類似于心臟的搏動(dòng)型血流。這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成為HeartMate I，作為移植前過渡期使用超過25年。
1971年，三位重要人物加入了科爾夫博士的團(tuán)隊(duì)：獸醫(yī)Don Olsen（領(lǐng)導(dǎo)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)）、醫(yī)學(xué)工程師賈維克Robert Jarvik（設(shè)計(jì)各種人造心臟）和外科醫(yī)生William DeVries博士（領(lǐng)導(dǎo)從動(dòng)物植入到人類實(shí)驗(yàn)的過渡）。
1982年，科爾夫團(tuán)隊(duì)首次將人工心臟用于永久性植入而不是移植的橋梁。這顆人工心臟名字叫做Jarvik7。今天，Jarvik7的現(xiàn)代版本被稱為SynCardia臨時(shí)全人工心臟。作為移植的橋梁使用。占所有全人工心臟（TAH）移植的6%。SynCardia的研制也經(jīng)歷了波折。1990年，由于違反FDA指導(dǎo)方針和法規(guī)，F(xiàn)DA停止了TAH的研究項(xiàng)目。為挽救 TAH 技術(shù)，1991年UMC和研究基金會(huì)成立了一家新公司和合資企業(yè)。將Jarvik7技術(shù)轉(zhuǎn)讓給 UMC，Jarvik7隨后更名為CardioWest? 全人工心臟。TAH的研究時(shí)間相當(dāng)漫長(zhǎng)。直到2004年10月15日，CardioWest全人工心臟獲得FDA批準(zhǔn)，成為第一個(gè)準(zhǔn)許上市的TAH。全人造心臟雖然是一項(xiàng)了不起的成就，但也非常昂貴。
在SynCardia之后，出現(xiàn)了AbioCor TAH。這是第一個(gè)“自給自足的內(nèi)部人工心臟”。研究人員研究和測(cè)試了這個(gè)設(shè)備30年。臨床試驗(yàn)于2001年開始，同年該設(shè)備被植入人體。AbioCor于2006年繼續(xù)獲得FDA的批準(zhǔn)。
與TAH相比，VAD相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且多數(shù)心臟衰竭患者主要是心室功能的衰竭，因此VAD能夠滿足多數(shù)心衰（HF）患者的需要。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，VAD已逐漸成為治療終末期心衰的重要手段，發(fā)達(dá)國(guó)家的VAD臨床應(yīng)用進(jìn)展迅速，已發(fā)展成被普遍接受的晚期難治性心衰的有效治療手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球VAD累計(jì)植入量已超過6萬例。
第二代VAD采用了非搏動(dòng)性連續(xù)血流模式。這種泵的驅(qū)動(dòng)模式屬于機(jī)械軸承式。之所以開發(fā)新式的VAD，是因?yàn)閷?duì)初代VAD的名為REMATCH試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，其存在諸多不足。在 REMATCH試驗(yàn)之后，LVAD設(shè)計(jì)發(fā)生了根本性的變化。血液是通過轉(zhuǎn)子推進(jìn)，流動(dòng)是連續(xù)的，不像原生心臟那樣有脈動(dòng)。這些設(shè)備與早期的HeartMate I不同，需要全身抗凝。這種類型的VAD是目前使用最多的VAD。截止2020年，已有超過27,000名心力衰竭患者接受了HeartMate II LVAD。許多人已經(jīng)過了5年的治療里程碑，有些人已經(jīng)置入HeartMate II長(zhǎng)達(dá)10余年。
但是這些成果并沒有讓研究人員停下腳步。第三代旋轉(zhuǎn)式血泵中使用的懸浮系統(tǒng)在沒有任何機(jī)械接觸的情況下將轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪懸掛在血場(chǎng)內(nèi)，懸浮式人工心臟沒有軸承接觸點(diǎn)，能夠減少對(duì)于血液的破壞，葉輪的磁懸浮和/或流體動(dòng)力懸浮是第三代泵的主要進(jìn)步。其中流體動(dòng)力懸浮的血液薄膜存在較高剪應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致血液損傷。磁懸浮是指在磁力作用下，人工心臟運(yùn)行時(shí)葉輪處于懸浮狀態(tài)，沒有機(jī)械軸承，因此無摩擦、產(chǎn)熱少、損耗小、耐久性高。
目前應(yīng)用磁懸浮技術(shù)的第三代VAD包括國(guó)外的HeartWare、HeartMate3等，已經(jīng)取得了較好的效果。我國(guó)在第三代VAD的研制也是奮起直追。
相信隨著越來越多的自主研發(fā)的人工心臟將進(jìn)入中國(guó)藥監(jiān)局審批和臨床試驗(yàn)階段，很快將可以在臨床上得到應(yīng)用，這是非常大的突破，有可能大大降低患者所需費(fèi)用，使越來越多患者受益。（安徽省胸科醫(yī)院 劉鋒）
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