技術能夠再造心臟嗎？

研發人工心臟的失敗證實了自然之神秘。

心臟的結構可謂鬼斧神工，人類模仿制造人工心臟的無數次失敗無疑是最好的證據。人工心臟的歷史由高明的技術創新和持續的臨床失敗交織而成。1962年約翰 · 肯尼迪（John Kennedy）向科學界提出了一項艱巨任務，要求在1970年前實現人類登月與安全返地。1964年，心血管外科醫生邁克爾 · 德貝基（Michael DeBakey）說服總統林登 · 約翰遜（Lyndon Johnson）資助研發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計中，體外壓縮機通過輸氣管經由皮膚進入患者體內。滌綸制成的內層囊袋通過壓縮空氣充氣、泄氣實現體積的增大、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相交織。心臟移植術在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生克里斯琴 · 巴納德（Christiaan Barnard）完成了首例成功的心臟移植術。如此一來，研發人工心臟的目標就發生了變化，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，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。這預示著科學家和工程師們將持續與相關的一系列問題斗爭。對于這類包含永久性經皮導線的設備而言，感染與膿毒血癥是不可避免的挑戰。改變血流動力學以及外源材質則會導致血液凝塊，造成中風和血液系統損害。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。但有兩位患者出現了嚴重的卒中，最終五位患者均因膿毒血癥或血液相關疾病而去世。

心臟移植術的歷史起點也不風光，巴納德的第一位患者在術后僅18天便死亡。倫敦國家心臟醫院的心胸外科醫生唐納德 · 羅斯（Donald Ross）完成了英國第一例心臟移植手術，患者也僅存活了45天，手術總成功率令人失望。問題的關鍵并不在于手術原理或是供體心臟的表現，而在于接受移植者的免疫系統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。早期抑制免疫系統的藥物并不成熟，直到20世紀80年代環孢素問世，這種革命性的免疫抑制藥顯著提高了心臟移植術的成功率。現如今，心臟移植技術相當成熟，卻帶來了另一個問題，供體心臟供不應求。在英國每年只能進行200例移植手術，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，科學家著手對豬進行基因改造，使其心臟能夠與人類免疫系統兼容，由此可以將其在沒有免疫排斥的情況下移植進人體。這種方法復雜而困難，最初的臨床移植始于2022年。

心臟移植手術的成功確實讓全人工心臟領域再次煥發生機，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“通向移植手術的橋梁”。數十年來，人工心臟技術不斷進步，生物相容性更高，瓣膜設計更優，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癥依舊常見，利用人工心臟實現完全的“終點療法”依舊遙不可及。

同時，由于迫切需要移植術前的過渡療法，另一種技術得到了不斷發展。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的血流輸出量。左心室/體循環和右心室/肺循環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類似的反饋系統時困難重重。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。如今全世界有超過15 000個LVAD被植入患者體內，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時的生命，但實際上由于供體心臟供不應求，許多患者需要依靠LVAD數年。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備存活了超過13年。因此LVAD本身成了一種治療方法。技術不斷進步，也有了更優秀的LVAD。其中一個突破性的想法是不再模擬心臟的搏動，而是使用持續流動的血流。旋轉槳（葉輪）以持續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生倉皇失措，也會在身體適應新血流時產生一些副作用。另一方面，外接電池組仍不方便，也會增加感染的風險，但研究者正在基于電磁感應（家用電磁爐的原理）開發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備暫時失去電力，曾出現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。開發跨皮膚傳輸電力的外接設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對抗110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，但實現完全的可植入仍然困難重重。VAD技術可能是解決方案之一，不再使用壓縮機，而是利用葉輪設備，以及雙側VAD的協同工作。

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

資料來源 Nautilus

本文作者錫安 · 哈丁（Sian Harding）是心臟科學公認的權威人物，她是倫敦帝國學院國家心肺研究所心臟藥理學的榮休教授，曾在該研究所負責心血管科學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》