心脏有问题，可以换上一颗“人造心”？

最近几天，一则十分有爱的新闻成为了各大网站的热门：美国一位因遗传性心肌病而需要心脏移植的男孩，依靠着医生为他安装的“人工心脏”生活了555天，并最终等到了供体心脏。在惊叹科技发达之余，相信也有不少人会对帮助男孩度过鬼门关的人工心脏感兴趣，毕竟他在自身心脏失去功能的情况下还能正常生活，甚至进行打篮球之类的体育运动，人工心脏自然是功不可没。实际上，经过了数十年的发展，包括人工心脏在内的心脏辅助装置已经成为了晚期心力衰竭的重要治疗手段，因此而重获新生的患者更是数不胜数。

从体外循环到人工心脏

和直到最近才逐步走进人们视野的人工心脏相比，体外循环技术（心肺转流术）早在几十年前便已得到了广泛应用，这种靠机器代替人体心脏和肺脏的功能，来为进行心脏手术提供条件（或治疗严重心肺疾病）的手段自诞生以来就一直被认为是医学的重大突破。不过，体外循环技术需要庞大的设备进行支持，加上它在长期应用时具有非常多的弊端，使得利用体外循环替代人的心脏功能并不太现实。正是这样，才有了人工心脏的出现。

复杂的体外循环装置，注定不能成为人体心脏的优秀替代者。图：Nadácia ?tastné srdcia

我们都知道，心脏就如同人体内的一个永不停息的泵，最为重要的功能是通过将循环内的血液泵入或泵出，维持血液循环的运转，从而保证身体各器官的血液供应。而在心力衰竭患者之中，心肌的受损导致了心脏泵血的功能受到影响，器官也会因为缺血而产生各种异常。从这一点上来看，人工心脏本质上就是代替心脏进行泵血的装置，和生产生活中广泛使用的水泵有些类似。

但尽管原理相通，人工心脏装置的设计和制造可远没有水泵简单，甚至比体外循环设备还要复杂。这主要是因为两点：第一，人工心脏装置由于需要和人体共处较长时间（从几个月到几年），所以制成它的材料必须对人体没有毒性、对周围组织没有不利影响、不引起人体的排斥反应（即具有良好的“组织相容性”）；第二，人工心脏装置需要最大限度地模仿自然心脏的各种功能（如具有防止血液错误流动的瓣膜、能够阻止血液附在内壁形成血栓），并具有相当程度的便携性（患者可不想如“活死人”一般，被困在室内无法自由活动）。

事实上，在人类成功将体外循环用于临床实践后不久，全球有名的医学研究机构美国国立卫生研究院（NIH）曾提出了十分乐观的设想——人类有可能在1970年，设计出合适的全人工心脏（TAH）。然而现实却十分残酷，第一颗能够在人体内稳定运行较长时间的人工心脏加维克7号，首次植入人体是在1982年末，距离NIH的预言日期晚了12年多。

心室辅助装置，离梦想更近一步

在人类紧锣密鼓地研发TAH时，另一种能够暂时性辅助心脏完成生理功能的装置——心室辅助装置（VAD）开始崭露头角，并很快得到了全球医生的一致认可。目前，VAD已经成为了相当一部分心力衰竭患者在等待心脏移植期间的过渡治疗手段，但它的应用也带来了许多至今仍悬而未决的问题。

VAD装置本质上依然是能够推动血液流动的泵，但它和TAH不同，只替代心脏的部分收缩功能。VAD装置在工作时，会将流入心室的血液导入到泵中，再由泵推动血液进入体内循环的下一步骤，从而解决患者心室不能正常泵出血液的问题。这种部分替代的思路使得VAD装置的设计变得简单化，因而能够更早为人类所应用。VAD装置的泵部分植入在腹部，患者需要随身背负着VAD的电池和控制系统，由此来看，文章开头的新闻中所涉及的“人工心脏”，正是一种VAD装置。

一位在植入VAD装置HeartMate II后，背负装置参与运动的心脏病患者图：Thoratec Corporation

VAD装置的植入并不复杂，也具有良好的便携性（患者可以背着装置出外进行活动），而且根据研究数据，心力衰竭患者选用VAD作为过渡手段，可以令心脏移植更为成功。这些听起来都很美好，但却并不意味着，VAD就是我们所要寻找的“人工心脏”：因为VAD装置的几个关键部件需要穿透患者的皮肤，和外界环境也会有一定接触，所以植入VAD的患者更容易发生感染，而感染在某些时候可能成为严重的问题；此外，VAD装置仅仅能够替代心脏的收缩功能，对于一些心脏发生了收缩之外的问题的患者，VAD就不是最佳解决方案了。但瑕不掩瑜，VAD依然在人工心脏的历史上书写了浓重的一笔，我们正是在VAD的帮助下，才能离人工心脏的梦想越来越近。

理想的人工心脏，何时才能出现？

早在1957年（距世界第一例心脏移植手术完成还有10年），荷兰科学家就开展了对人工心脏的勇敢探索——他们将利用聚氯乙烯塑料制作的一颗“人工心脏”植入了一只狗的体内，并令狗存活了近90分钟。在随后的1969年和1981年，美国医生库利又开展了2例将人工心脏装置植入人体的手术，但结果都不甚理想。不过从现在的眼光看，聚氯乙烯绝对不会是制造人工心脏的合适材料（因为对人有潜在毒性），这些简陋到没有考虑人体复杂生理的泵式装置也很难称得上是人工心脏。

前面已经提到了，人工心脏既需要由具有良好组织相容性的材料制成，又需要精确模拟人体心脏的各种生理细节。幸运的是，化学的发展很快就给人工心脏的研发带来了契机，包括钛合金、聚氨酯、聚四氟乙烯（后二者都是新型塑料）在内的合适材料很快被挖掘出来，TAH的研发也随之上升到了一个新的高度。

很快，采用了诸多全新设计的TAH——加维克7号（Jarvik 7，以研发者罗伯特·加维克的名字命名）在1982年末开始应用于临床。而该装置经过了数次改革和易主之后，以CardioWest TAH的名义于2004年得到了美国食品药品监督管理局（FDA）的批准，成为首个获得批准的TAH。在此之后，另一款TAH产品AbioCor TAH也获得了批准，但遗憾的是，该产品已经由于非医学原因而停止销售。

AbioCorTAH装置图：《中国医学论坛报》

从这两款产品之中，我们不难看出TAH在如今已经有着十分成熟的理论基础，并且实际应用效果也不错。不过科学家们并没有停止对TAH的探索，这很大程度上是因为，上面的两款TAH都存在着诸多亟待改进的缺点（例如装置内形成血栓的问题，以及装置的大小不适合于某些体型娇小的患者）。在前不久，法国科学家研发出了一款全新的TAH——C-TAH，这款装置通过大量采用生物材料（如牛的心包组织，这些生物材料往往与人体的相容性非常好）的同时改进设计，被认为是目前最理想化的TAH装置。

当然，C-TAH还处于研究阶段，距离进入市场还为时尚早。但我们有理由相信，人类终究有一天会成功制造出理想化的人造心脏，而我们离这一天已经不远了。

参考书目与文献：

[1]《心外传奇》，李清晨著，清华大学出版社，2012。

[2]《TransplantInfections》, 3e, by Raleigh A. Bowden, et al. Lippincott Williams & Wilkins,2010.

[3]Carpentier A, Latre mouille C, CholleyB, et al. First clinical use of a bioprosthetic total artificial heart: reportof two cases. Lancet 2015 Oct17;386(10003):1556-63. doi: 10.1016/S0140-6736(15)60511-6

发表于 2016-06-18 00:00
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