为什么科学家仍在寻求制造人工心脏

本文摘自 Sian E. Harding 的书《精致机器：心脏的新科学》。它最初刊登在《麻省理工学院出版社读者》上。

没有什么比我们自己模仿心脏的失败尝试更能清楚地表明心脏工程的完美。全人工心脏的历史充满了辉煌的创新和持续的临床失败。1962 年，约翰·肯尼迪向科学界发起挑战，要求在 20 世纪 60 年代末之前将人类送上月球并安全返回地球。1964 年，心血管外科医生迈克尔·德贝基说服林登·约翰逊总统资助一项计划，开发第一个功能齐全的自给式人工心脏，从而引发了一场在登月前成功制造人工心脏的竞赛。1969 年，两个目标显然都实现了，德克萨斯心脏研究所在阿波罗 11 号发射前三个月植入了第一颗全人工心脏。然而，虽然登月已经催生了航天飞机、火星探测器和国际空间站，并且（尽管有一段很长的停滞期）最新的目标是开发月球基地将我们带到火星，但可靠的现成全人工心脏仍然遥不可及。

一开始，人造心脏旨在成为衰竭器官的终身替代品。这是一个难以达到的标准，因为最初的设计有一个外部压缩机，空气管通过皮肤进入患者体内。压缩空气使涤纶袋或囊膨胀和放气，涤纶袋或囊收缩和膨胀以取代周围囊中的血液。虽然将压缩机置于体外很有用，因为机械部件（最易磨损）可以轻松更换，但它会成为一个笨重的设备，需要随患者一起推着走。很难想象如何将这种设备交给患者，并期望他们在未来许多年里过上哪怕是部分正常的生活。

然而，人工心脏的历史也与心脏移植的历史交织在一起。在 20 世纪 60 年代初期，这又只是一个充满希望的梦想，但到了 1967 年，开普敦的心脏外科医生 Christian Baarnard 成功进行了首例心脏移植。现在，这些首批人工心脏的用途发生了变化。它们不需要终生适用；它们的目的是让患者活下来，直到找到移植供体。与许多高度实验性的疗法一样，第一例是针对一位已经没有选择的患者进行的。一名 47 岁的男子正在接受手术，以修复左心室的巨大动脉瘤，该动脉瘤使心壁变薄和肿胀。他由心肺机支撑，心肺机绕过心脏并保持血液在体内流动。然而，由于心脏太虚弱，手术结束时他无法脱离机器。他迫切需要移植。DeBakey 的同事 Denton Cooley 向他提供了新的实验性全人工心脏，他接受了。患者通过新装置维持了64小时的稳定状态，直到找到匹配的捐赠心脏并进行移植。

这起初似乎是全人工心脏的胜利，但不幸的是，患者在 32 小时后死于败血症。不仅如此，该装置还损坏了血液和肾脏，并且可扩张囊的壁上覆盖着血凝块。这预示着一系列问题将继续阻碍科学家和工程师们对这一程序的探索。感染和败血症对任何有导线必须永久穿过皮肤的设备来说都是一个持续的挑战。移动血液的设备会改变血液的成分，异物表面会导致血液凝结，从而导致中风和血液衰竭。第一颗 Jarvik 心脏（下一代产品之一）被植入五名患者体内，其中一名存活了 620 天。但其中两名患者患有严重中风，最终全部死于败血症或血液问题。

心脏移植的起步也并不顺利，Baarnard 的第一位患者在仅仅 18 天后就去世了。英国第一位接受心脏移植的患者由伦敦国家心脏病医院的心胸外科医生 Donald Ross 实施，这位患者仅存活了 45 天，总体成功率仍然令人失望。这里的问题不是手术机制或新心脏的初始表现，而是接受者的免疫系统与捐赠者的心脏不匹配。即使捐赠者的心脏与患者的主要组织类型尽可能匹配，也必须抑制免疫系统以防止心脏被排斥。早期抑制免疫系统的药物并不十分先进，但 20 世纪 80 年代初环孢素的开发引发了免疫抑制革命，大大提高了心脏移植的成功率。现在，心脏移植成了自身成功的牺牲品，需要移植的人数远远多于捐赠者。尽管英国有超过 75 万名心力衰竭患者，但每年只有约 200 例心脏移植手术，全球也有类似的数字。为了填补这一空白，科学家们一直在对猪进行基因改造，使其心脏与人体免疫系统兼容，这样就可以移植到患者身上而不会被排斥。事实证明，这非常复杂且具有挑战性，但首批临床移植手术已于 2022 年开始。

然而，心脏移植的成功重新激发了人们对全人工心脏的探索，其更易于实现的目标是让患者存活直至找到捐赠者，或称之为“移植前桥梁”。几十年来，人工心脏技术通过采用更具生物相容性的材料、更好的瓣膜设计和更高效的血流处理而不断改进。已经取得了成功：一项研究发现，80% 使用人工心脏的患者存活超过一年，有些甚至存活了 6 年。患者接受移植支持的最长时间是 1,373 天。但严重的感染并发症仍然很常见，而对人工心脏进行完整的“目的地”治疗的目标仍然是一个遥远的梦想。

与此同时，迫切需要过渡到移植，这让这项技术走向了另一个方向。其想法不是完全取代衰竭的心脏，而是通过辅助血流来支持它。心室辅助装置（VAD）通过完全不同的路径将血液从心室中抽出，并在高压下将其推入主动脉。这增加了从心脏排出的血液，从而增加了有效心输出量。它还解决了全人工心脏工程师遇到的另一个问题——如何平衡左右心脏的血流量。左心室/身体回路中的血液循环量必须非常接近右心室/肺回路中的血液循环量。每天有 100,000 次心跳，每次心跳即使相差一茶匙，也会导致 500 升血液流向错误的地方。心脏已经进化出复杂的生物机制来确保这种情况不会发生，但工程师们正在努力尝试使用反馈系统来实现同样的效果。对于 VAD，右心室（或更常见的是左心室）可以得到独立支撑，从而解决这个问题。

左心室辅助装置（LVAD）为终末期心力衰竭的治疗带来了一场革命。目前，全球已植入了超过 15,000 台 LVAD，约三分之一的终末期心力衰竭患者现在依靠 LVAD 进行治疗。这种装置通常是为了帮助患者过渡到移植，但事实上，由于捐赠心脏短缺，患者通常需要依靠 LVAD 治疗多年。七年内存活率超过 50%，有报道称患者使用这些装置可以存活长达 13 年。因此，LVAD 本身已成为一种默认的治疗方法。同样，技术也在进步，新型 LVAD 性能更佳。一个突破性的想法是停止模仿心脏的脉动，转而实现血液的恒定流动。旋转的桨叶（叶轮）以连续运动推动血液流动，形成平稳不间断的血流。这会产生奇怪的副作用，即导致患者失去脉搏，这可能会让毫无戒心的医生感到不安，而且在身体适应新的电流时还会产生一些不良副作用。外部电池组仍然很不方便，而且是感染源，但正在开发基于感应（如家用感应炉）经皮（穿过皮肤）传输能量的系统。LVAD 装置仍需要一块小型植入电池，以防设备暂时出现故障——众所周知，外部电池组曾被手提包小偷从患者手中抢走！

完全可植入的全人工心脏的研究仍在继续。最大的障碍是试图开发外部经皮装置来完全满足心脏的供电需求。全人工心脏的规格要求它在血压为 110 mmHg 时每分钟泵出 8 升血液。（如果细胞中的 ATP 不不断更新，则每天需要超过您体重一半的生物储能分子三磷酸腺苷 [ATP] 来为您的心脏供电。）压缩机已经小型化，便于携带，但要使它们完全可植入却一直很困难。在这里，VAD 技术似乎可以解决这个问题，完全放弃压缩机，改用叶轮装置，左右双 VAD 一起工作。

解决方案似乎近在咫尺，但没有人认为这会是一帆风顺的。多年来的多次失败无疑让科学家们对心脏的自然工程产生了谦卑和敬畏之心。

Sian E. Harding是伦敦帝国理工学院国家心肺研究所心脏药理学名誉教授，她领导着该学院心血管科学部和 BHF 心脏再生中心。她是《精致机器》一书的作者，本文摘录自该书。