研发人工心脏的失败证实了自然之神秘。
《精巧机器：心脏的新科学》（The Exquisite Machine：The New Science of the Heart），麻省理工学院出版社，2022年9月出版
心脏的结构可谓鬼斧神工，人类模仿制造人工心脏的无数次失败无疑是最好的证据。人工心脏的历史由高明的技术创新和持续的临床失败交织而成。1962年约翰 · 肯尼迪（John Kennedy）向科学界提出了一项艰巨任务，要求在1970年前实现人类登月与安全返地。1964年，心血管外科医生迈克尔 · 德贝基（Michael DeBakey）说服总统林登 · 约翰逊（Lyndon Johnson）资助研发第一颗功能自足的人工心脏，由此开启了一项竞赛，并在登月前成功造出了一颗。第一颗人工心脏诞生于和登月同年的1969年，得克萨斯心脏研究所在阿波罗11号发射前三个月将第一颗完全人工心脏移植进人体。登月计划促成了宇宙飞船、火星探测器和国际空间站——经历长久的寂静后——最新的目标是建立月球基地，带我们飞向火星，但制造可靠的商品化人工心脏却仍然遥不可及。
人工心脏最初的目标是终身替代功能衰竭的器官。这一目标门槛很高，要知道在人工心脏最初的设计中，体外压缩机通过输气管经由皮肤进入患者体内。涤纶制成的内层囊袋通过压缩空气充气、泄气实现体积的增大、减少，将外层囊袋中的血液挤压出去。尽管体外压缩机的实用性尚可接受——毕竟机械部件（最优情况是可穿戴式的）能够被简单替换——但这往往意味着患者需要推着一个装载设备的小车，很难想象患者如何在这种情况下正常生活。
人工心脏的历史同样与心脏移植术相交织。心脏移植术在20世纪60年代早期也只是痴人说梦，但1967年开普敦的心脏外科医生克里斯琴 · 巴纳德（Christiaan Barnard）完成了首例成功的心脏移植术。如此一来，研发人工心脏的目标就发生了变化，不再是用其终身替代心脏，而是在获得移植供体心脏前维持患者生命。与其他高度实验性的疗法相似，植入人工心脏的第一例患者别无选择：这位47岁的男性因左心室动脉瘤行手术，动脉瘤使得他的心室壁薄而肿胀。人工心肺机绕过心脏使血液流向全身维持生命。而他在术后因心功能过弱而不能脱离心肺机，急需心脏移植。德贝基的同事丹顿 · 库里（Denton Cooley）向他提供了人工心脏的试验机会。在征得同意后，患者利用新设备存活了64小时，直到找到并移植了匹配的心脏供体。
先驱者人工心脏的历史与心脏移植术的历史交织在一起——在克里斯琴·巴纳德于1967年首次完成心脏移植术前，这只是一个梦
这看似是全人工心脏的完全胜利，但该患者在移植术后32小时因脓毒血症不幸去世。不仅如此，这台人工心脏对血液和肾脏造成了损害，可扩充囊腔也被血凝块覆盖。这预示着科学家和工程师们将持续与相关的一系列问题斗争。对于这类包含永久性经皮导线的设备而言，感染与脓毒血症是不可避免的挑战。改变血流动力学以及外源材质则会导致血液凝块，造成中风和血液系统损害。下一代的“贾维克”（Jarvik）系列人工心脏被植入五位患者中，其中一位存活了620天。但有两位患者出现了严重的卒中，最终五位患者均因脓毒血症或血液相关疾病而去世。
心脏移植术的历史起点也不风光，巴纳德的第一位患者在术后仅18天便死亡。伦敦国家心脏医院的心胸外科医生唐纳德 · 罗斯（Donald Ross）完成了英国第一例心脏移植手术，患者也仅存活了45天，手术总成功率令人失望。问题的关键并不在于手术原理或是供体心脏的表现，而在于接受移植者的免疫系统与供体心脏并不匹配。供体心脏与受体的主要组织类型相似度再高，也需要进行免疫抑制治疗以抑制对心脏的排斥反应。早期抑制免疫系统的药物并不成熟，直到20世纪80年代环孢素问世，这种革命性的免疫抑制药显著提高了心脏移植术的成功率。现如今，心脏移植技术相当成熟，却带来了另一个问题，供体心脏供不应求。在英国每年只能进行200例移植手术，而超过750 000人患有心衰，类似的情况在全世界比比皆是。为了填补这一空缺，科学家着手对猪进行基因改造，使其心脏能够与人类免疫系统兼容，由此可以将其在没有免疫排斥的情况下移植进人体。这种方法复杂而困难，最初的临床移植始于2022年。
心脏移植手术的成功确实让全人工心脏领域再次焕发生机，治疗方案可行性更高，只需利用人工心脏在找到供体心脏前维系患者生命，也可称之为“通向移植手术的桥梁”。数十年来，人工心脏技术不断进步，生物相容性更高，瓣膜设计更优，血流控制更佳，我们获得了更多成功。一项研究显示，约80%的患者依靠人工心脏存活超过1年，部分甚至长达6年。利用人工心脏维系生命等待移植的最长纪录达到了1 373天。但严重的感染性并发症依旧常见，利用人工心脏实现完全的“终点疗法”依旧遥不可及。
同时，由于迫切需要移植术前的过渡疗法，另一种技术得到了不断发展。与其替换整个衰竭的心脏，不如辅助其搏出血液。心室辅助装置（VAD）通过完全不同的路径将血液搏出心室，利用高压使血液流入主动脉。这条路径中的血流与心脏搏出的血流汇合，扩大有效心排血量。这也解决了全人工心脏工程师会遇到的另一个问题——如何平衡左右心室内的血流输出量。左心室/体循环和右心室/肺循环中的血流量必须非常接近。由于心脏每天搏动100 000次，即使每次搏动的血流量二者相差仅一茶匙，也会使超过500升的血流进入错误的位置。心脏进化出复杂的生理机制以避免这种错误，可以想象工程师在尝试开发类似的反馈系统时困难重重。而VAD可以独立支持右心室或左心室（更常用），从而规避了这一问题。
左心室辅助装置（LVAD）对于心衰终末期治疗而言是一种革命性的技术。如今全世界有超过15 000个LVAD被植入患者体内，而超过三分之一的心衰终末期患者因LVAD而获益。LVAD治疗的目标是维持患者等待心脏移植术时的生命，但实际上由于供体心脏供不应求，许多患者需要依靠LVAD数年。超过一半患者的存活时间达到了7年，也有报告称患者依靠这些设备存活了超过13年。因此LVAD本身成了一种治疗方法。技术不断进步，也有了更优秀的LVAD。其中一个突破性的想法是不再模拟心脏的搏动，而是使用持续流动的血流。旋转桨（叶轮）以持续流动的方式推动血液，形成均匀而不间断的血流。如此一来患者便会失去脉搏，这可能会让不了解病史的医生仓皇失措，也会在身体适应新血流时产生一些副作用。另一方面，外接电池组仍不方便，也会增加感染的风险，但研究者正在基于电磁感应（家用电磁炉的原理）开发跨皮肤传输能量的方法。LVAD还需要植入性的小电池以防止设备暂时失去电力，曾出现过患者的外接电池组被偷包贼抢走的情况！
完全植入性全人工心脏的探索仍在继续。开发跨皮肤传输电力的外接设备以满足心脏的电力需求是目前最大的难点。全人工心脏需要能够对抗110毫米汞柱的血压每分钟泵出8升血液。（生物体中的储能分子是腺苷三磷酸，即ATP，心脏需要细胞持续生成大量新的ATP为之供能。）压缩机体积逐渐缩小而便携，但实现完全的可植入仍然困难重重。VAD技术可能是解决方案之一，不再使用压缩机，而是利用叶轮设备，以及双侧VAD的协同工作。
解决方案看似就在眼前，但是没有一种方案能够一蹴而就。数年来的失败让科学家对大自然设计的心脏保持谦逊、充满敬意。
资料来源 Nautilus
————————
本文作者锡安·哈丁（Sian Harding）是心脏科学公认的权威人物，她是伦敦帝国学院国家心肺研究所心脏药理学的荣休教授，曾在该研究所负责心血管科学部门和英国心脏基金会（BHF）心脏再生中心。本文摘自她的著作《精巧机器》