换个“人工心脏”玩玩儿

医疗器械 来源:医学论坛报

医谷编者按:判定一个人死亡,大体有两种衡量标准,一种是心脏停止跳动,一种是脑死亡。单就心脏停止跳动而言,如果我们能够在心衰的时候更换一颗健康的心脏,那么不就解决了人类因心脏停止跳动而死亡的情况吗?不过正如医谷曾经发布的《令人揪心的等待—国内肝脏移植现状与挑战》一文所介绍的那样,正常的供体是远远无法满足患者的需求。所以对于绝大多数心衰的患者,在健康的允许的情况下,通常会置入心脏起搏器,或者服用相关的抑制和延缓的心衰的药物。但这毕竟不能解决心脏衰退的全部问题,否则我们就可以一定程度上“不死”了,那么既然活体心脏不可以,可以换个人工心脏吗?

见证历史的实验室

美国每年约40万人死于心力衰竭(心衰),而受限于供体仅有约2000人能获得心脏移植。这一巨大落差显示了人工心脏研究的重要性和急迫性。

站在美国得州心脏研究所(Texas Heart Institute,THI)的人工心脏实验室里,THI技术与创新中心主任、心脏外科医生Cohn介绍道,这间实验室在该领域发展中占有领航地位,参与了HeartmateⅡ、Jarvik、AbioCor等许多重要心脏泵的早期研究。

也在这里,Cohn和他的“老板”—心脏支持中心主任弗雷泽(Frazier)将两个HeartmateⅡ“组装”成全球第一颗“无搏动人工心脏”,并成功实施了70余例动物实验。2011年3月,他们将此种人工心脏首次置入人体。那名55岁的多器官淀粉样变患者已进入昏迷状态,而在术后不到48小时,他坐起来使用电脑并与家人交谈。尽管他在6周后死于淀粉样变导致的肝肾衰竭,但“心脏”却始终运转良好。这证实,曾备受质疑的连续(而非脉冲式)血流人工心脏是可行的。Frazier和Cohn甚至认为这是制造一颗高效而持久人工心脏的最好选择。

目前,这间实验室新的兴奋点是仍在改良和已付诸动物实验的BiVACOR全人工心脏(TAH)。其唯一的运动部件是一个磁盘,它借助3组电磁线圈和两端磁环产生的相互作用力悬浮于拳头大小的钛合金外壳内并高速旋转,驱动贴合于其两侧的盘状转子,转子借助螺旋桨片样构造将血液连续泵出。右侧转子将血液从右心腔推入肺,左侧转子将血液从左心腔推向全身。每组电磁线圈旁边有一个涡流传感器,在患者生理状态发生变化(例如因呛咳导致肺血管阻力增加)时,传感器接收此信号,对磁盘在磁场内的轴向位置做实时的细微调整(幅度约700微米),继而影响两侧转子的转速和功率,动态调节输出量。“这种分析每秒可达2万次。”Cohn说。

借助3D打印机,研究者可以对部件设计进行反复的细微修改。在Cohn展示的“百宝箱”里,螺旋叶片构型和布局略有差异的左右转子各有数百种。研究者在模拟器上测试转子在不同转速、液压、间距等条件下的功能状态,寻找最佳模型和最佳组合,然后置于人体生理仿真系统做进一步观察。

“我们在10月23日和28日使用改良版器械(外壁更薄、压缩内部多余空间、新的电磁线圈等)开始两例新的动物实验,一例用羊,看体型更小的动物对器械的容纳度;另一例用牛作长期(3个月)实验。”Cohn介绍,“近期我们将锁定最终设计,然后开展一批3个月动物实验,之后考虑向美国食品与药物管理局(FDA)提交人道主义器械豁免(HDE)临床试验的申请。

不同路上的追梦人

2013年12月,被制造商称为“唯一的第三代TAH”和“第一个生物相容和自调节TAH”的法国Carmat公司TAH被首次置入人体,患者在75天后死亡。

“人工心脏的代际划分完全是主观的,没有确切定义。”Cohn说,“或许他们将SynCardia TAH及其前身Jarvik7和更早的Liotta-Cooley、Akutsu等气动装置归为‘第一代’。SynCardia TAH功能很好,但只能做暂时过渡性使用,每3个月需要更换空气压缩机。在1982年至今1300余例临床置入中,仅有数例维持约4年,而大部分患者尽快接受了心脏移植。‘第二代’或许包括AbioCor、Nimbus、Utah-100、Sarns-3M等,其共同特征是‘全内置’。Carmat可能认为在此基础上用生物材料覆盖即为‘第三代’,但我不敢苟同。”

Cohn认为Carmat心脏是个优秀的产品,首例人体试验维持75天已经是有里程碑意义的好成绩。但与AbioCor一样,其设计思路均为模拟自然心脏,结构复杂、有多个运动部件和弹性膈(瓣)膜,体积大(小体型患者很难置入)、能效低、机械故障和磨损无可避免。“人造机械装置不可能长期稳定模拟心脏每年3500万次搏动而不磨损,因为它们不具备心脏的自我修复功能。”

与之对照,BiVACOR设计简洁,只有一个磁悬浮转子,没有弹性瓣膜,从源头上消除了机械磨损和故障,只有Carmat心脏1/3大小(适用于各种体型患者),能效高、输出量大(AbioCor输出量约9L/min,耗能30瓦;而BiVACOR产生两侧各10L/min输出量仅耗能10瓦)。“这些特性都表明它最有可能成为第一个真正实用的永久性TAH。”

谈到BiVACOR不用生物材料覆盖转子的原因,Cohn解释“器械内血液量极小,并且处于高速流动而非淤滞状态,形成血栓风险并不高”。而对Carmat心脏宣传的“多个内置传感器”,Cohn认为并非优势,反而成为故障隐患,“与Carmat心脏复杂的固态(solid state)传感器不同,我们用物理学原理做传感器,感受电磁场和水动力的动态变化,并自发平衡两者。”在刚结束的1例30天小牛试验中,“器械表现毫无瑕疵”。更重要的是,当小牛开始在跑步机上行走时,不加任何人工干预,泵出量从静息状态的10L/min,逐渐提升到15.5L/min,即BiVACOR在体内根据生理负荷做出了自发调节。

至于仍被质疑的“连续血流”,Cohn说,气体和营养物质交换等生命活动发生于毛细血管水平,其他只是使血液到达毛细血管的泵和管道,而毛细血管血流是连续的。并且,从Heartmate起他们累积了85例长期动物实验以观察连续血流泵的功能和安全性。“还有,现在‘无脉’已经不成问题,”Cohn展示了一段小牛试验的录像,研发人员通过改变转子转速实现了输出量从高达20L/min到低至0L/min的迅速更替,“我们能‘数字化’地产生你想要的各种脉搏、血压、波形……”

Cohn说,鸟类扇动翅膀是大自然创造的飞行方式和人类飞行灵感之源,但为什么没有一架现代化飞机采用这种方式?同理,模拟自然心脏的TAH如同莱特兄弟在20世纪初发明的机翼翘曲飞行器—无疑是“成功的”,是“非常重要的第一步”,值得载入史册……“但你从北京来休斯顿会选择搭乘这种机翼翘曲飞行器还是现代喷气式客机呢?”

唯时间能评判“永久”

永久性TAH的终极目标是什么?它能替代心脏移植吗?彼时谁将作为“最后一招”?目前AbioCor的生产和推广已暂停,使得Syncardia TAH成为美国唯一获批并在临床使用的TAH,但只作为移植前过渡治疗,尚无永久性TAH获批。

“现在还无法准确预言永久性TAH的未来,一切取决于它能有多好的远期表现。”Cohn再次用莱特飞行器作比喻。在1903年首次成功飞行的数年后,莱特兄弟仍认为飞行器或许能用于嘉年华娱乐项目,想不出它有什么实际用途。那时候他们大概不能预见现代飞行如此繁荣、改变了整个世界。

同样,对永久性人工心脏前途的评判也只能交给时间,“但对我而言,它可能取代左心室辅助装置(LVAD)却不难想象。”Cohn说,“把一个功能卓越的科技产品装在一颗无可挽救的心脏下游做短期支持的想法是短视的,众多LVAD并发症往往与器械本身无关,而源于病弱不堪的心脏或发生于生物-机械界面。如果移除整个心脏而代之以TAH,结果可能更好。”

“或许BiVACOR将来被证明是个巨大的失败,或许Carmat后续的人体试验会取得巨大成功,只有时间能揭晓答案……我希望我们中间至少有一个能成功,来满足世界对于人工心脏的迫切需求。”

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