最近幾天，一則十分有愛的新聞成為了各大網站的熱門：美國一位因遺傳性心肌病而需要心臟移植的男孩，依靠著醫生為他安裝的「人工心臟」生活了555天，並最終等到了供體心臟。在驚嘆科技發達之餘，相信也有不少人會對幫助男孩度過鬼門關的人工心臟感興趣，畢竟他在自身心臟失去功能的情況下還能正常生活，甚至進行打籃球之類的體育運動，人工心臟自然是功不可沒。實際上，經過了數十年的發展，包括人工心臟在內的心臟輔助裝置已經成為了晚期心力衰竭的重要治療手段，因此而重獲新生的患者更是數不勝數。
從體外循環到人工心臟
和直到最近才逐步走進人們視野的人工心臟相比，體外循環技術（心肺轉流術）早在幾十年前便已得到了廣泛應用，這種靠機器代替人體心臟和肺臟的功能，來為進行心臟手術提供條件（或治療嚴重心肺疾病）的手段自誕生以來就一直被認為是醫學的重大突破。不過，體外循環技術需要龐大的設備進行支持，加上它在長期應用時具有非常多的弊端，使得利用體外循環替代人的心臟功能並不太現實。正是這樣，才有了人工心臟的出現。
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複雜的體外循環裝置，註定不能成為人體心臟的優秀替代者。 圖：Nadácia ?tastné srdcia
我們都知道，心臟就如同人體內的一個永不停息的泵，最為重要的功能是通過將循環內的血液泵入或泵出，維持血液循環的運轉，從而保證身體各器官的血液供應。而在心力衰竭患者之中，心肌的受損導致了心臟泵血的功能受到影響，器官也會因為缺血而產生各種異常。從這一點上來看，人工心臟本質上就是代替心臟進行泵血的裝置，和生產生活中廣泛使用的水泵有些類似。
但儘管原理相通，人工心臟裝置的設計和製造可遠沒有水泵簡單，甚至比體外循環設備還要複雜。這主要是因為兩點：第一，人工心臟裝置由於需要和人體共處較長時間（從幾個月到幾年），所以製成它的材料必須對人體沒有毒性、對周圍組織沒有不利影響、不引起人體的排斥反應（即具有良好的「組織相容性」）；第二，人工心臟裝置需要最大限度地模仿自然心臟的各種功能（如具有防止血液錯誤流動的瓣膜、能夠阻止血液附在內壁形成血栓），並具有相當程度的便攜性（患者可不想如「活死人」一般，被困在室內無法自由活動）。
事實上，在人類成功將體外循環用於臨床實踐後不久，全球有名的醫學研究機構美國國立衛生研究院（NIH）曾提出了十分樂觀的設想——人類有可能在1970年，設計出合適的全人工心臟（TAH）。然而現實卻十分殘酷，第一顆能夠在人體內穩定運行較長時間的人工心臟加維克7號，首次植入人體是在1982年末，距離NIH的預言日期晚了12年多。
心室輔助裝置，離夢想更近一步
在人類緊鑼密鼓地研發TAH時，另一種能夠暫時性輔助心臟完成生理功能的裝置——心室輔助裝置（VAD）開始嶄露頭角，並很快得到了全球醫生的一致認可。目前，VAD已經成為了相當一部分心力衰竭患者在等待心臟移植期間的過渡治療手段，但它的應用也帶來了許多至今仍懸而未決的問題。
VAD裝置本質上依然是能夠推動血液流動的泵，但它和TAH不同，只替代心臟的部分收縮功能。VAD裝置在工作時，會將流入心室的血液導入到泵中，再由泵推動血液進入體內循環的下一步驟，從而解決患者心室不能正常泵出血液的問題。這種部分替代的思路使得VAD裝置的設計變得簡單化，因而能夠更早為人類所應用。VAD裝置的泵部分植入在腹部，患者需要隨身背負著VAD的電池和控制系統，由此來看，文章開頭的新聞中所涉及的「人工心臟」，正是一種VAD裝置。
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一位在植入VAD裝置HeartMate II後，背負裝置參與運動的心臟病患者 圖：Thoratec Corporation
VAD裝置的植入並不複雜，也具有良好的便攜性（患者可以背著裝置出外進行活動），而且根據研究數據，心力衰竭患者選用VAD作為過渡手段，可以令心臟移植更為成功。這些聽起來都很美好，但卻並不意味著，VAD就是我們所要尋找的「人工心臟」：因為VAD裝置的幾個關鍵部件需要穿透患者的皮膚，和外界環境也會有一定接觸，所以植入VAD的患者更容易發生感染，而感染在某些時候可能成為嚴重的問題；此外，VAD裝置僅僅能夠替代心臟的收縮功能，對於一些心臟發生了收縮之外的問題的患者，VAD就不是最佳解決方案了。但瑕不掩瑜，VAD依然在人工心臟的歷史上書寫了濃重的一筆，我們正是在VAD的幫助下，才能離人工心臟的夢想越來越近。
理想的人工心臟，何時才能出現？
早在1957年（距世界第一例心臟移植手術完成還有10年），荷蘭科學家就開展了對人工心臟的勇敢探索——他們將利用聚氯乙烯塑料製作的一顆「人工心臟」植入了一隻狗的體內，並令狗存活了近90分鐘。在隨後的1969年和1981年，美國醫生庫利又開展了2例將人工心臟裝置植入人體的手術，但結果都不甚理想。不過從現在的眼光看，聚氯乙烯絕對不會是製造人工心臟的合適材料（因為對人有潛在毒性），這些簡陋到沒有考慮人體複雜生理的泵式裝置也很難稱得上是人工心臟。
前面已經提到了，人工心臟既需要由具有良好組織相容性的材料製成，又需要精確模擬人體心臟的各種生理細節。幸運的是，化學的發展很快就給人工心臟的研髮帶來了契機，包括鈦合金、聚氨酯、聚四氟乙烯（後二者都是新型塑料）在內的合適材料很快被挖掘出來，TAH的研發也隨之上升到了一個新的高度。
很快，採用了諸多全新設計的TAH——加維克7號（Jarvik 7，以研發者羅伯特·加維克的名字命名）在1982年末開始應用於臨床。而該裝置經過了數次改革和易主之後，以CardioWest TAH的名義於2004年得到了美國食品藥品監督管理局（FDA）的批准，成為首個獲得批准的TAH。在此之後，另一款TAH產品AbioCor TAH也獲得了批准，但遺憾的是，該產品已經由於非醫學原因而停止銷售。
AbioCorTAH裝置 圖：《中國醫學論壇報》
從這兩款產品之中，我們不難看出TAH在如今已經有著十分成熟的理論基礎，並且實際應用效果也不錯。不過科學家們並沒有停止對TAH的探索，這很大程度上是因為，上面的兩款TAH都存在著諸多亟待改進的缺點（例如裝置內形成血栓的問題，以及裝置的大小不適合於某些體型嬌小的患者）。在前不久，法國科學家研發出了一款全新的TAH——C-TAH，這款裝置通過大量採用生物材料（如牛的心包組織，這些生物材料往往與人體的相容性非常好）的同時改進設計，被認為是目前最理想化的TAH裝置。
當然，C-TAH還處於研究階段，距離進入市場還為時尚早。但我們有理由相信，人類終究有一天會成功製造出理想化的人造心臟，而我們離這一天已經不遠了。
參考書目與文獻：
[1]《心外傳奇》，李清晨著，清華大學出版社，2012。
[2]《TransplantInfections》, 3e, by Raleigh A. Bowden, et al. Lippincott Williams & Wilkins,2010.
[3]Carpentier A, Latre mouille C, CholleyB, et al. First clinical use of a bioprosthetic total artificial heart: reportof two cases. Lancet 2015 Oct17;386(10003):1556-63. doi: 10.1016/S0140-6736(15)60511-6