全人工心脏离我们有多远？

2014-03-13 qixieke 器械之家

使用人工心脏代替自然心脏是医学界多年追求的目标。根据世界卫生组织2008年的统计资料显示，心血管疾病已经成为非传染性疾病死亡的首要死亡原因。目前，对于心衰的治疗，一般采取以下几种方式：药物治疗、外科手术、机械辅助循环及心脏移植。药物治疗可以减轻患者心脏做功，增强心肌收缩力，从而改善患者症状。然而，尽管药物治疗可以改善患者的生活质量，但其死亡率并没有显著降低。外科治疗（例如瓣膜置换或修复等）可以改善瓣膜的情况，但是在大多数病例中，它并不能阻止患者病情的发展。心脏移植由于受供心影响，得不到广泛应用。当以上治疗无效时，机械辅助循环（MCS）治疗（例如植入心室辅助装置或全人工心脏植入）成为唯一可供选择的治疗手段。

机械辅助循环（MCS）治疗包括IABP（主动脉内球囊反搏），心室辅助装置（VAD），心肺支持（CPS）,体外膜肺支持治疗（ECMO），全人工心脏（TAH）等，MCS可以部分或全部替代心脏功能。2013年美国心脏病学会基金会（ACCF）/美国心脏学会（AHA）关于心力衰竭管理指南中将机械辅助循环列为可选择的治疗方案（表1）。

在机械辅助循环（MCS）分类中，其中全人工心脏较为特殊，因其可以全部替代心脏功能，类似心脏移植，也是未来最有可能取代心脏移植术而应用的辅助装置。以下就全人工心脏的历史及现状作简要回顾与评述。

1全人工心脏的发展史

美国是进行人工心脏研制较早的国家，在人工心脏研制及临床应用方面做了大量的工作。1960年，美国心脏外科先驱、休斯敦Baylor医学院的DeBakey医生及其研究者们开始研发全人工心脏。1964年，美国国立卫生研究院（NIH）成立了人工心脏项目，旨在开发心室辅助装置及全人工心脏。

（1）Liotta-Cooley全人工心脏

世界上第一例人工心脏植入手术是在1969年，由美国医生Cooley完成的。他将Liotta-Cooley全人工心脏（图1）植入到一个行室壁瘤切除后不能脱离体外循环的患者体内。Liotta-Cooley全人工心脏辅助了64小时，成功地进行了心脏移植。患者在移植的32小时后死于假单胞菌性肺炎。Liotta-Cooley全人工心脏是一个气动，双心室辅助的泵。该TAH再没有应用于临床。

图1 Liotta-Cooley全人工心脏

（2）Akutsu-Ⅲ全人工心脏

第二例全人工心脏植入病例也是由美国医生Cooley完成的。1981年，Cooley将Akutsu-Ⅲ全人工心脏植入到一例行冠状动脉旁路移植术的患者体内。患者55小时后顺利地进行了心脏移植，10天后死于感染、肾衰竭及肺部并发症。Akutsu-Ⅲ全人工心脏（图2）有两个气动的双心室泵组成。此泵也没有再进行临床应用。

图2 Akutsu-Ⅲ全人工心脏

全人工心脏的研发之路充满艰辛，需要克服重重困难。由于早期植入后的感染、出血和血栓栓塞等严重并发症而使患者死亡，许多临床试用的全人工心脏项目被迫中止。目前临床应用的全人工心脏只有CardioWest全人工心脏及AbioCor全人工心脏。

（3）JARVIK-7/CARDOWEST全人工心脏

1970年，美国Utah大学的Kolff博士及其团队研制了Jarvik-7TAH。该装置是一个气动的、双心室搏动泵，血泵用人工合成的材料连接到自体心房，每个泵中都有柔韧度很好的合成材料膜将空气和血分开。机械瓣膜在流入管道及流出管道中，保证血流向单一方向流动。一个气动的电缆从胸部穿出后连接到体外的控制器上，在收缩的时候，切断气流供应，使泵囊塌陷进行射血。泵的频率，压力和收缩时间都可以进行控制。Jarvik-7TAH的射血量为70mL，心输出量为6～8L/min（最大为15L/mim）。1982年，Utah大学的心脏外科团队将其植入到一个垂死的患者中，用于永久辅助治疗。

1985到1991年，大约有170例患者使用Jarvik-7TAH作为移植前的过渡治疗，然而在Jarvik-7支持期间，败血症及多器官功能衰竭的发生率较高。1991年，美国FDA以不符合FDA的管理条款为由，停止了该TAH的临床应用。

随后Syncardia公司将Jarvik-7TAH进行改进，并重新命名为CardioWestTAH。1993年1月，美国FDA批准CardioWestTAH应用于临床试验。2001年，由Syncardia公司生产的CardioWestTAH在美国、加拿大及法国成功应用于临床。

2004年，美国FDA批准CardioWest全人工心脏（图3）作为移植前的辅助治疗措施在使用，它也是唯一一个经美国FDA以及欧洲CE认证可进行临床应用的全人工心脏。到目前为止，全世界共有1250例CardioWest全人工心脏的临床应用，其中2013年植入为161例，最长的辅助时间为1374天（将近4年）。目前该全人工心脏也在进行永久性人工心脏移植的临床试验。

图3 CardioWest全人工心脏

（4）ABIOCOR可植入的全人工心脏

2001年7月2日，在美国肯塔基州的Jewish医院，外科医生们第一次将AbioCorTAH植入到一例59岁终末期心衰的患者体内。AbioCorTAH（图4）是ABIOMED公司开发的电动TAH，主要用于药物治疗及手术治疗效果不佳，预期存活不久的患者。AbioCorTAH是第一个应用于临床的完全植入的全人工心脏，它与外界没有导线连接。应用经皮能量传输系统（TET技术）以及射频交流系统进行充电和信号的传递，避免了因导线而感染的事件发生。

图4 ABIOCOR可植入的全人工心脏

AbioCorTAH内的组成包括泵系统、控制系统、电池以及内置TET线圈。泵系统中有两个人工心室，四个瓣膜，电机驱动的泵系统。泵的转速为6000～8000rpm，可以提供足够的压力来压塞心室囊进行有效射血。一个小型的充电系统植入到患者的腹部，进行监控和控制泵的转速，左右心室的平衡及电机的转速。一个内置的充电电池，放置在腹部，提供应急电源。内置电池可以通过TET系统进行充电，可以提供长达30分钟的有效工作。

在Ⅰ期临床试验中，14例患者植入AbioCorTAH作为永久支持治疗，其中有两例患者出现泵的功能障碍，试验发现血栓栓塞是其最主要的并发症。然而，与经皮穿出导线的全人工心脏相比，此类患者没有出现相关感染，最长的支持时间为512天。2006年，FDA批准AbioCorTAH可以适用人道主义器械豁免的条款，可以进行商品化。AbioCorTAH体积大，只能应用于胸腔体积较大的患者。AbioCor全人工心脏的应用较少，主要作为永久辅助使用，目前还没有通过美国FDA认证。

（5）法国Carmat全人工心脏

最近报道的Carmat公司Carmat全人工心脏，它通过电动装置推动两个心室完成射血功能（图5），四个瓣膜（二尖瓣、三尖瓣、肺动脉瓣及主动脉瓣膜）均为牛心包瓣膜，能够减少抗凝药物的用量，减少出血、血栓等并发症。另外，该装置安装了许多感应器，可以感受心室压力的变化，以此满足患者运动或安静时相应心输出量的变化。其电源系统从皮下穿出，外接两个可充电电池，可以自由活动，目前尚处于临床试验初期。

图5 Carmat全人工心脏

2 心脏移植术与全人工心脏手术

心脏移植术主要是针对晚期充血性心力衰竭和严重冠状动脉疾病进行的外科移植手术。手术方式是将已判定为脑死亡并配型成功的人类心脏完整取出，植入所需受体胸腔内的同种异体移植手术。受体的自体心脏被移除（称为原位心脏移植）或保留用以支持供体心脏（称为异位心脏移植），手术后平均生存期为13年。近10年中，在世界范围内每年注册登记的心脏移植手术大约3500例，中国2010～2012年的心脏移植数量在150～180例之间。2012年国际心肺移植学会年报显示，接受心脏移植后1年、3年、5年和7年的平均存活率分别是84.5％、78.2％、72.5％和66.2％；而中国最大的心脏移植中心阜外心血管病医院移植后1年、3年、5年和7年的存活率分别是95.0％，91.2％，88.2％和79.9％。

心脏移植是目前治疗终末期心衰的一个较为合适的治疗手段。然而，它也有几点限制：1.病例选择；2.供心的供给与分配；3.医疗费用支出。尤其是由于供心缺乏，许多患者在等待心脏移植的过程中死去。在成功进行心脏移植的患者中，一部分患者是先植入全人工心脏，等到合适供心后又进行心脏移植术。以CardioWest全人工心脏为例，全世界共有1250例CardioWest全人工心脏的临床应用，其中2013年植入为161例，最长的辅助时间为1374天（将近4年），都是作为心脏移植前的过渡在使用。意大利患者PietroZorzetto于2007年12月6日植入CardioWest全人工心脏，辅助1374天后于2011年9月11日成功进行了心脏移植术（图6）。

全人工心脏虽然已批准进行临床应用，但是全人工心脏目前却不能作为常规手术开展，只是作为心脏移植前的替代过渡治疗。TAH要广泛应用于临床还要攻克许多技术难关。全人工心脏的体积大、植入后并发症如感染、栓塞、脏器衰竭的发生率高，耐久性差等缺陷，使其不适合永久替代使用。但是随着相关技术成熟，全人工心脏移植术替代传统心脏移植术作为永久心脏替代也是完全有可能的。

3 我国在人工心脏方面的研究进展

人工心脏广义上包括心室辅助装置及全人工心脏。全人工心脏目前在我国还没有投入临床应用。而心室辅助装置主要为左心室辅助装置，国外临床应用的主要有Novacor血泵，HeartMateⅠ(XVE)，BVS5000血泵，Incor血泵，HeartMateⅡ，Jarvik2000，Micro-MedDeBakey血泵等。国内阜外心血管病医院应用例数最多，包括Novacor血泵，BVS5000血泵等。我国目前尚无自主知识产权临床商品化的产品。江苏理工大学工程研究所和镇江市第一人民医院合作进行了自制叶轮血泵的动物试验和临床试用；广东省心血管病研究所研制隔膜泵－罗叶泵，成功地进行了临床试用；中国协和医科大学阜外心血管病医院研制的FH型轴流血泵已完成临床前的动物实验，目前已进行4例临床试验，为国内首个具有自主知识产权进入临床试验的轴流血泵（图7）。此外天津泰达心血管病医院，北京安贞医院，苏州大学等单位正在研制的相关血泵，尚处于动物实验阶段，而我国在全人工心脏研制方面未见报道。

4 全人工心脏应用前景

自从上个世纪50年代以来，心脏外科技术发展很快，突破了很多禁区。到了上个世纪80年代后，因为免疫抑制剂环孢素A的应用，心脏移植已经成为许多无法用药物或外科方法治疗的终末期心力衰竭患者的最好治疗方法。但由于供心的限制及心脏移植术不适合40岁以下的患者等原因，TAH的永久植入应用仍是临床医师及患者十分期待和关心的问题。尽管第一例心脏移植手术和第一例TAH植入手术就差两年的时间，但是TAH目前却不能作为常规手术开展。TAH要广泛应用于临床还要攻克许多技术难关。感染、出血及血栓栓塞，生物相容性依然是目前植入装置包括TAH的主要问题。相信法国Carmat全人工心脏的临床试验结果将带给我们更多惊喜。使用人工心脏代替自然心脏是医学界多年追求的目标。根据世界卫生组织2008年的统计资料显示，心血管疾病已经成为非传染性疾病死亡的首要死亡原因。目前，对于心衰的治疗，一般采取以下几种方式：药物治疗、外科手术、机械辅助循环及心脏移植。药物治疗可以减轻患者心脏做功，增强心肌收缩力，从而改善患者症状。然而，尽管药物治疗可以改善患者的生活质量，但其死亡率并没有显著降低。外科治疗（例如瓣膜置换或修复等）可以改善瓣膜的情况，但是在大多数病例中，它并不能阻止患者病情的发展。心脏移植由于受供心影响，得不到广泛应用。当以上治疗无效时，机械辅助循环（MCS）治疗（例如植入心室辅助装置或全人工心脏植入）成为唯一可供选择的治疗手段。