研發(fā)人工心臟的失敗證實了自然之神秘。

心臟的結(jié)構(gòu)可謂鬼斧神工，人類模仿制造人工心臟的無數(shù)次失敗無疑是最好的證據(jù)。人工心臟的歷史由高明的技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)的臨床失敗交織而成。1962年約翰 · 肯尼迪（John Kennedy）向科學(xué)界提出了一項艱巨任務(wù)，要求在1970年前實現(xiàn)人類登月與安全返地。1964年，心血管外科醫(yī)生邁克爾 · 德貝基（Michael DeBakey）說服總統(tǒng)林登 · 約翰遜（Lyndon Johnson）資助研發(fā)第一顆功能自足的人工心臟，由此開啟了一項競賽，并在登月前成功造出了一顆。第一顆人工心臟誕生于和登月同年的1969年，得克薩斯心臟研究所在阿波羅11號發(fā)射前三個月將第一顆完全人工心臟移植進人體。登月計劃促成了宇宙飛船、火星探測器和國際空間站——經(jīng)歷長久的寂靜后——最新的目標是建立月球基地，帶我們飛向火星，但制造可靠的商品化人工心臟卻仍然遙不可及。

人工心臟最初的目標是終身替代功能衰竭的器官。這一目標門檻很高，要知道在人工心臟最初的設(shè)計中，體外壓縮機通過輸氣管經(jīng)由皮膚進入患者體內(nèi)。滌綸制成的內(nèi)層囊袋通過壓縮空氣充氣、泄氣實現(xiàn)體積的增大、減少，將外層囊袋中的血液擠壓出去。盡管體外壓縮機的實用性尚可接受——畢竟機械部件（最優(yōu)情況是可穿戴式的）能夠被簡單替換——但這往往意味著患者需要推著一個裝載設(shè)備的小車，很難想象患者如何在這種情況下正常生活。

人工心臟的歷史同樣與心臟移植術(shù)相交織。心臟移植術(shù)在20世紀60年代早期也只是癡人說夢，但1967年開普敦的心臟外科醫(yī)生克里斯琴 · 巴納德（Christiaan Barnard）完成了首例成功的心臟移植術(shù)。如此一來，研發(fā)人工心臟的目標就發(fā)生了變化，不再是用其終身替代心臟，而是在獲得移植供體心臟前維持患者生命。與其他高度實驗性的療法相似，植入人工心臟的第一例患者別無選擇：這位47歲的男性因左心室動脈瘤行手術(shù)，動脈瘤使得他的心室壁薄而腫脹。人工心肺機繞過心臟使血液流向全身維持生命。而他在術(shù)后因心功能過弱而不能脫離心肺機，急需心臟移植。德貝基的同事丹頓 · 庫里（Denton Cooley）向他提供了人工心臟的試驗機會。在征得同意后，患者利用新設(shè)備存活了64小時，直到找到并移植了匹配的心臟供體。

這看似是全人工心臟的完全勝利，但該患者在移植術(shù)后32小時因膿毒血癥不幸去世。不僅如此，這臺人工心臟對血液和腎臟造成了損害，可擴充囊腔也被血凝塊覆蓋。這預(yù)示著科學(xué)家和工程師們將持續(xù)與相關(guān)的一系列問題斗爭。對于這類包含永久性經(jīng)皮導(dǎo)線的設(shè)備而言，感染與膿毒血癥是不可避免的挑戰(zhàn)。改變血流動力學(xué)以及外源材質(zhì)則會導(dǎo)致血液凝塊，造成中風(fēng)和血液系統(tǒng)損害。下一代的“賈維克”（Jarvik）系列人工心臟被植入五位患者中，其中一位存活了620天。但有兩位患者出現(xiàn)了嚴重的卒中，最終五位患者均因膿毒血癥或血液相關(guān)疾病而去世。

心臟移植術(shù)的歷史起點也不風(fēng)光，巴納德的第一位患者在術(shù)后僅18天便死亡。倫敦國家心臟醫(yī)院的心胸外科醫(yī)生唐納德 · 羅斯（Donald Ross）完成了英國第一例心臟移植手術(shù)，患者也僅存活了45天，手術(shù)總成功率令人失望。問題的關(guān)鍵并不在于手術(shù)原理或是供體心臟的表現(xiàn)，而在于接受移植者的免疫系統(tǒng)與供體心臟并不匹配。供體心臟與受體的主要組織類型相似度再高，也需要進行免疫抑制治療以抑制對心臟的排斥反應(yīng)。早期抑制免疫系統(tǒng)的藥物并不成熟，直到20世紀80年代環(huán)孢素問世，這種革命性的免疫抑制藥顯著提高了心臟移植術(shù)的成功率。現(xiàn)如今，心臟移植技術(shù)相當成熟，卻帶來了另一個問題，供體心臟供不應(yīng)求。在英國每年只能進行200例移植手術(shù)，而超過750 000人患有心衰，類似的情況在全世界比比皆是。為了填補這一空缺，科學(xué)家著手對豬進行基因改造，使其心臟能夠與人類免疫系統(tǒng)兼容，由此可以將其在沒有免疫排斥的情況下移植進人體。這種方法復(fù)雜而困難，最初的臨床移植始于2022年。

心臟移植手術(shù)的成功確實讓全人工心臟領(lǐng)域再次煥發(fā)生機，治療方案可行性更高，只需利用人工心臟在找到供體心臟前維系患者生命，也可稱之為“通向移植手術(shù)的橋梁”。數(shù)十年來，人工心臟技術(shù)不斷進步，生物相容性更高，瓣膜設(shè)計更優(yōu)，血流控制更佳，我們獲得了更多成功。一項研究顯示，約80%的患者依靠人工心臟存活超過1年，部分甚至長達6年。利用人工心臟維系生命等待移植的最長紀錄達到了1 373天。但嚴重的感染性并發(fā)癥依舊常見，利用人工心臟實現(xiàn)完全的“終點療法”依舊遙不可及。

同時，由于迫切需要移植術(shù)前的過渡療法，另一種技術(shù)得到了不斷發(fā)展。與其替換整個衰竭的心臟，不如輔助其搏出血液。心室輔助裝置（VAD）通過完全不同的路徑將血液搏出心室，利用高壓使血液流入主動脈。這條路徑中的血流與心臟搏出的血流匯合，擴大有效心排血量。這也解決了全人工心臟工程師會遇到的另一個問題——如何平衡左右心室內(nèi)的血流輸出量。左心室/體循環(huán)和右心室/肺循環(huán)中的血流量必須非常接近。由于心臟每天搏動100 000次，即使每次搏動的血流量二者相差僅一茶匙，也會使超過500升的血流進入錯誤的位置。心臟進化出復(fù)雜的生理機制以避免這種錯誤，可以想象工程師在嘗試開發(fā)類似的反饋系統(tǒng)時困難重重。而VAD可以獨立支持右心室或左心室（更常用），從而規(guī)避了這一問題。

左心室輔助裝置（LVAD）對于心衰終末期治療而言是一種革命性的技術(shù)。如今全世界有超過15 000個LVAD被植入患者體內(nèi)，而超過三分之一的心衰終末期患者因LVAD而獲益。LVAD治療的目標是維持患者等待心臟移植術(shù)時的生命，但實際上由于供體心臟供不應(yīng)求，許多患者需要依靠LVAD數(shù)年。超過一半患者的存活時間達到了7年，也有報告稱患者依靠這些設(shè)備存活了超過13年。因此LVAD本身成了一種治療方法。技術(shù)不斷進步，也有了更優(yōu)秀的LVAD。其中一個突破性的想法是不再模擬心臟的搏動，而是使用持續(xù)流動的血流。旋轉(zhuǎn)槳（葉輪）以持續(xù)流動的方式推動血液，形成均勻而不間斷的血流。如此一來患者便會失去脈搏，這可能會讓不了解病史的醫(yī)生倉皇失措，也會在身體適應(yīng)新血流時產(chǎn)生一些副作用。另一方面，外接電池組仍不方便，也會增加感染的風(fēng)險，但研究者正在基于電磁感應(yīng)（家用電磁爐的原理）開發(fā)跨皮膚傳輸能量的方法。LVAD還需要植入性的小電池以防止設(shè)備暫時失去電力，曾出現(xiàn)過患者的外接電池組被偷包賊搶走的情況！

完全植入性全人工心臟的探索仍在繼續(xù)。開發(fā)跨皮膚傳輸電力的外接設(shè)備以滿足心臟的電力需求是目前最大的難點。全人工心臟需要能夠?qū)?10毫米汞柱的血壓每分鐘泵出8升血液。（生物體中的儲能分子是腺苷三磷酸，即ATP，心臟需要細胞持續(xù)生成大量新的ATP為之供能。）壓縮機體積逐漸縮小而便攜，但實現(xiàn)完全的可植入仍然困難重重。VAD技術(shù)可能是解決方案之一，不再使用壓縮機，而是利用葉輪設(shè)備，以及雙側(cè)VAD的協(xié)同工作。

解決方案看似就在眼前，但是沒有一種方案能夠一蹴而就。數(shù)年來的失敗讓科學(xué)家對大自然設(shè)計的心臟保持謙遜、充滿敬意。

資料來源 Nautilus

本文作者錫安 · 哈?。⊿ian Harding）是心臟科學(xué)公認的權(quán)威人物，她是倫敦帝國學(xué)院國家心肺研究所心臟藥理學(xué)的榮休教授，曾在該研究所負責(zé)心血管科學(xué)部門和英國心臟基金會（BHF）心臟再生中心。本文摘自她的著作《精巧機器》