碳基生物机械化的一大步——人工心脏

在大火医疗剧《关于唐医生的一切》中，聪慧、坚毅而又有些“轴”的海归心脏外科女医生唐佳瑜获得了观众的关注，尤其是她主导研发的“全磁悬浮人工心脏”。

今天我就给大家说说这个“全磁悬浮人工心脏”是怎么回事。首先应该明确的是全人工心脏的英文是Total Artificial Heart (TAH)，它是能够全面代替左右心的泵血功能的机械心脏。在连续剧中提到的人工心脏应该指的是心室辅助装置，英文名 Ventricular Assist Devices（VAD），它用来代替心脏心室泵血。心力衰竭是全球医学的重大挑战。心力衰竭发展到终末期后，治疗管理手段极其有限。

心脏移植是公认的有效治疗手段，但由于供体心脏数量及其有限，目前我国每年仅能完成数百例心脏移植。相对于数十万量级有可能通过心脏移植而受益的患者，心脏移植的作用可谓杯水车薪。虽然据研究，心脏也有一些其他功能，但最主要的就是一个血液泵的作用，其机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。

人工心脏的研制历史其实已经比较久远了，概念的提出甚至可以追溯到1812年。1812年Julien Jean Cesar LeGallois 提出“机械循环辅助”的概念。一百多年后，在1937年，苏联医学家Vladimir P. Demikhov博士开发了全人工心脏(TAH)装置。

1953年美国外科医生Gibbon，研制出第一台用于人类心脏外科手术的体外循环机，并成为体外循环之父。他与梅奥诊所（Mayo Clinic）分享了他的设备，他们继续推进该设备，将其命名为“Mayo Gibbon型体外循环机”，从而挽救了数百名患者。从理论上来讲人工心脏就是缩小版的、损伤更小的、能够长时间使用的血泵设备。

1950年代，美国的科尔夫（Kolff）博士在克利夫兰医学中心开发了一种全人工心脏，并应用于动物实验。而第一个获得人造心脏专利的是美国人保罗温切尔（Paul Winchell）（1963年）。多年后，温切尔将专利权转让给科尔夫。1967年，科尔夫离开克利夫兰诊所，在犹他大学创立了人工器官部门，继续从事人工心脏方面的工作。1969年4月4日，多明戈·利奥塔 ( Domingo Liotta )和丹顿·A·库利 ( Denton A. Cooley )在休斯顿的德克萨斯心脏中心用胸腔内的机械心脏替换了垂死之人的心脏，这是世界上首次临床植入全人工心脏。

在宾夕法尼亚州立大学，William Pierce博士开发了一种气动心脏辅助装置。该设备最终成为Thoratec气动VAD，这是第一个被美国食品药品监督管理局(FDA)批准为移植过渡的VAD。第一代VAD装置，气体驱动，并且产生类似于心脏的搏动型血流。这项技术进一步发展成为HeartMate I，作为移植前过渡期使用超过25年。

1971年，三位重要人物加入了科尔夫博士的团队：兽医Don Olsen（领导动物实验）、医学工程师贾维克Robert Jarvik（设计各种人造心脏）和外科医生William DeVries博士（领导从动物植入到人类实验的过渡）。 

1982年，科尔夫团队首次将人工心脏用于永久性植入而不是移植的桥梁。这颗人工心脏名字叫做Jarvik7。今天，Jarvik7的现代版本被称为SynCardia临时全人工心脏。作为移植的桥梁使用。占所有全人工心脏（TAH）移植的6%。SynCardia的研制也经历了波折。1990年，由于违反FDA指导方针和法规，FDA停止了TAH的研究项目。为挽救 TAH 技术，1991年UMC和研究基金会成立了一家新公司和合资企业。将Jarvik7技术转让给 UMC，Jarvik7随后更名为CardioWest™ 全人工心脏。TAH的研究时间相当漫长。直到2004年10月15日，CardioWest全人工心脏获得FDA批准，成为第一个准许上市的TAH。全人造心脏虽然是一项了不起的成就，但也非常昂贵。

在SynCardia之后，出现了AbioCor TAH。这是第一个“自给自足的内部人工心脏”。研究人员研究和测试了这个设备30年。临床试验于2001年开始，同年该设备被植入人体。AbioCor于2006年继续获得FDA的批准。 

与TAH相比，VAD相对结构简单，而且多数心脏衰竭患者主要是心室功能的衰竭，因此VAD能够满足多数心衰（HF）患者的需要。随着现代科学技术的发展，VAD已逐渐成为治疗终末期心衰的重要手段，发达国家的VAD临床应用进展迅速，已发展成被普遍接受的晚期难治性心衰的有效治疗手段。据统计，目前全球VAD累计植入量已超过6万例。

第二代VAD采用了非搏动性连续血流模式。这种泵的驱动模式属于机械轴承式。之所以开发新式的VAD，是因为对初代VAD的名为REMATCH试验研究发现，其存在诸多不足。在 REMATCH试验之后，LVAD设计发生了根本性的变化。血液是通过转子推进，流动是连续的，不像原生心脏那样有脉动。这些设备与早期的HeartMate I不同，需要全身抗凝。这种类型的VAD是目前使用最多的VAD。截止2020年，已有超过27,000名心力衰竭患者接受了HeartMate II LVAD。许多人已经过了5年的治疗里程碑，有些人已经置入HeartMate II长达10余年。 

但是这些成果并没有让研究人员停下脚步。第三代旋转式血泵中使用的悬浮系统在没有任何机械接触的情况下将转动的叶轮悬挂在血场内，悬浮式人工心脏没有轴承接触点，能够减少对于血液的破坏，叶轮的磁悬浮和/或流体动力悬浮是第三代泵的主要进步。其中流体动力悬浮的血液薄膜存在较高剪应力会导致血液损伤。磁悬浮是指在磁力作用下，人工心脏运行时叶轮处于悬浮状态，没有机械轴承，因此无摩擦、产热少、损耗小、耐久性高。 

目前应用磁悬浮技术的第三代VAD包括国外的HeartWare、HeartMate3等，已经取得了较好的效果。我国在第三代VAD的研制也是奋起直追。

相信随着越来越多的自主研发的人工心脏将进入中国药监局审批和临床试验阶段，很快将可以在临床上得到应用，这是非常大的突破，有可能大大降低患者所需费用，使越来越多患者受益。（安徽省胸科医院 刘锋）