他们的心脏，装在背包里
“心脏既然能长出来，就一定能被造出来。”
在植入“人工心脏”的第2天，42岁的A先生下床活动了。此前，他因病卧床多年，吃饭、洗澡都要靠人帮助。
“他的恢复很理想。术后第1天撤了呼吸机。”近日，主刀医生之一、四川省人民医院心脏外科中心主任黄克力告诉“医学界”，A先生患有扩张型心肌病，已处于终末期心力衰竭（以下简称心衰）。主治医生将其列入心脏移植等候名单。但按其现存心脏功能，预期寿命不足一年。“恐怕等不到移植的那天。”
A先生植入人工心脏后的造影。/四川省人民医院供图
心脏是人体的“发动机”，心房负责全身血液回流，心室负责泵血。终末期心衰意味着这个“发动机”耗损到无法维修，随时可能熄火。几乎所有心脏疾病持续恶化，最终都会进展为心衰。
1967年12月3日，在南非开普敦，时年45岁的外科医生克里斯蒂安·伯纳德（Christiaan Barnard）完成世界首例人体心脏移植手术。一颗因车祸丧生的25岁女性心脏，被植入一名55岁严重心衰男性的胸腔内。虽然该男性患者在术后18天因肺炎去世，但此举开创了新纪元，医学界开始尝试“以心换心”。
然而，这种救治模式注定是杯水车薪。手术费用及后期维护成本高昂是一方面。供体数量和匹配度，是待移植者面临的又一道关卡。此外，心脏是所有移植器官里，保存时间最短的。摘下来的心脏允许热缺血时间，仅为3-4分钟，在适宜温度下仅能保存6-8小时。这显著增加了移植难度。
《中国心血管健康与疾病报告2019》显示，据中国心血管病患病率推算，我国心衰现患人数约890万，晚期心衰患者近100万。中国心脏供体源的数量并不能满足中国心脏移植的要求。数据显示，2015-2018年，全国35家（不包括港澳台）心脏移植中心全面实施脑死亡心脏捐献以来，共完成心脏移植1583例。
黄克力遗憾地说：“我们已经遇到过两三名急需心脏移植的患者，因为等不到供体而抱憾离世。”
只有上辈子拯救过银河系的“极少数”，才能得到这种极度稀缺的资源并获重生。而一颗通用的、能临时或永久发挥替代作用的人工心脏，成为终末期心衰患者的最佳选择。
克里斯蒂安·伯纳德教授因成功完成世界首例心脏移植手术而成名。/Getty Images
人工心脏不像“心”
人工心脏不是个新词。古希腊神话中，“死神”塔纳托斯拥有一颗铁心和一颗铜心。而拯救现代世界的复联绝对主角“钢铁侠”，亦是人工心脏造就的不朽超级英雄。
现代医学对人工心脏的定义是：用生物机械手段，部分或完全代行心脏的泵血机能，维持全身血液循环，属心室辅助装置/系统。2013年，美国心脏学会（AHA）在心力衰竭管理指南中，将心室辅助装置列为可选择的治疗方案之一。
基于人体结构，心室辅助装置可以分为左心室辅助、右心室辅助。同时作用于双心室的装置，被医学界形容为“全人工心脏”。
“从全球的情况来看，2006年6月-2018年7月，有近2.5万例患者接受心室辅助装置植入。”中国医学科学院阜外医院再生医学重点实验室副主任周建业教授曾告诉“澎湃新闻”，人工心脏主要有3方面临床应用，作为等待心脏移植的过渡，为患者争取更多时间等到合适供体；为急性心衰患者提供短期替代支持，待心脏功能恢复后撤除；为终末期心衰患者提供长期替代，支持患者携带人工心脏长期生存。
在四川省人民医院，经心脏中心多学科评估，黄克力携团队为A先生安装了第三代人工心脏。其核心部件包括一个形如背包的体外控制器，和一个如水管三通接头的金属血液泵，有半个拳头大小。
图片来源：四川省人民医院供图
“心脏就像一个泵，日夜不停地收缩和舒张，为血液循环提供动力。人工心脏旨在搭建心脏辅助流道，辅助实现血液循环。血液泵由两根人工血管和患者自身心脏相连。血液从心室经血管、流入血液泵。血液泵内叶轮转动，产生离心力，将血液泵出，经出血管流入升主动脉，部分或完全代替心脏功能。”黄克力解释。
血液泵通过一根泵缆，连接到体外的控制器，患者需随身携带。黄克力介绍，控制器约重3kg，内有提供动力的电池组和转速控制系统。
“医学界”发现，第一、二代人工心脏分别为搏动泵和轴流泵。第一代搏动式人工心脏也被称为容积式泵，体积大，不易植入。第二代人工心脏体积变小了，但叶轮转速高，可能损害红细胞和凝血系统，易引起血栓。
黄克力称，第三代人工心脏的设备体积小，易植入，运转时几乎不产热。由于采用非接触式轴承，核心零件可以不与周围成分发生任何机械接触而旋转，减少了机械摩擦带来的耗损问题。又因核心零件不和血液直接接触，血栓问题亦明显改善。
它也存在一些问题，如成本较高、携带不方便、高耗能，电池续航能力有限，易受外界磁场影响等。
“植入的人工心脏可以持续工作，直到进行心脏移植。除不能游泳外，患者能像正常人一样生活，可以散步、淋浴、正常工作及外出旅行。”黄克力告诉“医学界”，国内第一例人工心脏临床试验的患者，已带机生存3年。而A先生也创造了一个记录，是全国首例正式上市的人工心脏（左心室辅助系统）植入手术患者。
研发路：充满艰辛、并非坦途
“心脏既然能长出来，就一定能被造出来。”这是“人造器官之父”、人工心脏先驱威廉·约翰·科尔夫（Willem Johan Kolff）说过的话。
1957年，科尔夫和时年35岁的日本学者阿久津哲三（Tetsuzo Akutsu）合作，开发出世界首个人工心脏。阿久津在其文稿中说，研发思路始于对人体心脏的模仿，“无论如何都要让人工的看起来和真正的心脏一模一样”。他在办公室里摆满机床，揉捏粘土，浇灌石膏，切割金属。他没日没夜地工作，手工制作所有零部件。最终，成品出来了，形似真实心脏，有4个腔室，包括左心房、左心室、右心房和右心室，通过使用循环液压来产生脉动流。
威廉·约翰·科尔夫（左）和阿久津哲三。/Cleveland Clinic
1957年12月12日（亦有说是1958年1月），在体外循环的支持下，科尔夫和阿久津将其研发的人工心脏植入实验犬体内。体外循环终止后，这颗人工心继续维持血液循环90分钟。1958年，相关实验结果在美国人工器官协会第四次会议上报告。
此后，全球越来越多的研究团队开启人工心脏尝试。
1969年，美国完成全球首例双心室辅助装置人体植入手术。美国医生丹顿·阿瑟·库利（Denton Arthur Cooley）为一名47岁男性，植入以其命名的“李奥塔-库利全人工心脏”（Liotta-Cooley人工心脏），作为心脏移植前过渡治疗。这是一颗气动的“人工心”，患者在外部动力协助下，靠它活了64小时，然后接受心脏移植。心脏移植术后32小时，患者死于假单胞菌性肺炎。
第二例人工心脏人体植入术发生于10多年后。1981年，主刀医生仍是库利，装置是升级版、有两个气动的双心室泵（Akutsu-Ⅲ人工心脏）。植入人体55小时后，患者接受了心脏移植。术后10天，患者死于感染、肾衰竭及肺部并发症。
库利用过的这两种人工心脏再未被用于临床。
图片来源于网络
1970年，美国犹他大学推出Jarvik-7全人工心脏，依然是气动双心室泵。1982年12月2日，该装置被首次置入1名61岁心衰患者体内。术后112天，患者死亡。1985-1991年，约有170名患者使用Jarvik-7，作为心脏移植前的过渡治疗。期间，患者的败血症及多器官功能衰竭发生率较高。1991年，美国食品和药品管理局（FDA）以不符合FDA管理条款为由，停止该装置的临床应用。
上世纪90年代后，Jarvik-7得以革新、改名，于2001年在美国、加拿大及法国成功应用于临床。2004年，美国FDA批准其作为移植前辅助治疗措施。2012年3月，美国FDA以“人道主义使用设备（HUD）”，批准其作为终点治疗。HUD是针对特殊医疗器械设立的，特指那些旨在服务少数特殊病患，在美国每年影响人数少于8000人，带来益处胜过使用可能造成的伤害或疾病风险。
2000年，全球首颗全内置全人工心脏问世，组成部分包括电动泵系统（含2个人工心室和4个瓣膜）、控制系统、电池及经皮能量传输系统（TET）线圈。置于体内的电动泵通过TET及射频交流系统，进行充电和信号传递。因为少了穿透胸壁的管线，患者感染风险大大降低。但这一设备体积大、重900g，只适用于胸腔容积较大的患者。开发20多年来，它迟迟未得到美国FDA批准。
“全人工心脏的研发之路充满艰辛，需要克服重重困难。由于早期植入后存在感染、出血和血栓栓塞，及生物相容性等严重并发症，使患者死亡，许多临床试用的全人工心脏项目被迫中止。”2014年，中国工程院院士、中国医学科学院阜外医院院长胡盛寿在《全人工心脏离我们有多远？》中写道。
于是，一部分致力于全人工心脏研发的研究人员，如阿久津等，转攻单心室辅助装置。
黄克力称，左心室是向全身泵血的主要动力源。在许多心衰重症病例中，若能解决左心室问题，即可提供足够的心脏功能。
临床试验也发现，一些使用左心室辅助装置的患者，最终恢复到不用辅助装置、也能靠原装心脏生活的程度。原因是，他们不堪重负的心肌在心脏辅助装置的协助下，得到宝贵的喘息时间，最终重获力量。这亦使其免于心脏移植。“移植后，患者需要长期、大剂量使用抗排异药物。这可能造成肝肾功能损伤，也会增加恶性肿瘤风险。”黄克力说，植入心室辅助装置，患者要用的药物就简单很多，主要是抗凝。
数据显示，A先生所植入的左心室辅助装置，在国外已有患者持续佩戴10.5年。
2016年6月，25岁的美国小伙儿斯坦·拉金（Stan Larkin）被媒体广泛关注。他依靠双心室辅助装置，活了555天，最终等到心脏移植。/Daily Mail
从技术发展现状看，要想永久替代人类心脏，心脏辅助装置还要攻克许多技术难关。包括：较低的抗凝或不抗凝，更小的功率要求，更安静，易于植入和监测，电池更长续航，在身体之外没有任何部件。最终，它们应该成为“被植入和遗忘”的设备。
目前，将人工心脏与再生医学结合，成为主流研究方向之一。比如，从患者腿部肌肉提取细胞，培养后制成片状，再联合人工心脏一起、植入患者心脏中。细胞将与心肌一起工作。一旦心脏功能恢复到足够强大，就能取出人工心脏，患者将依靠自己的心脏生活。
先驱们的梦想正在逐步被后世实现。
1.中国心血管健康与疾病报告2019概要. 中国循环杂志, 2020, 35(9):833-854. DOI:10.3969/j.issn.1000-3614.2020.09.001
2.行业 | 全人工心脏：无数失败中的艰难求索，机械心能否替代生物心？. 思宇医械观察
3.数说中国器官移植事业5年发展：我们绘制了“女娲补天图”. HUST数说
4.心脏既然能长出来，就一定能被造出来 | 人工心脏背后的故事. 知识分子
5.阿久津哲造：人工心脏之父的一生. 客观日本
6.Inventor for Life. The story of W.J.Kolff father of artificial organs. B&V media Publishers. Kampen 2003, pp. 256
7.In memoriam: Tetsuzo Akutsu 1922-2007. US National Library of Medicine National Institutes of Health. Tex Heart Inst J,2008,Vol.35,p. 1-4
8.国产全磁悬浮人工心脏将临床试验，此前成功救治三例危重患者. 澎湃新闻
9.Man, 25, kept alive for a year and a half with an artificial heart in a BACKPACK finally receives transplant. Daily Mail
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