人物風雲｜他發明了人造腎臟和人造心臟
2020-09-18 思宇研習社前言
威廉·約翰·皮姆·科爾夫教授（Willem Johan&39;Kolff）是人造腎臟和人造心臟的發明者。除此之外，科爾夫教授在1943年至1997年間還開發了許多器官替代療法，是20世紀最重要的醫學發明家之一，被譽為「人造器官之父」。
在科爾夫教授的職業生涯中，他獲得了來自世界各地大學的13個榮譽學位和127個國際獎項。據2003年美國國家工程院的統計數據顯示，從1943年開始，科爾夫教授發明的人造腎臟挽救了2000多萬人的生命並改善了他們的生活質量。
一、他將納粹垃圾變成了透析機！
科爾夫教授於1911年出生於荷蘭萊頓鎮的一個醫生家庭。他是家中的長子，他的父親Jacob Kolff是結核病療養院的主任。科爾夫小時候有閱讀障礙，曾和木匠一起去周末學校讀書。也許就是因為這段經歷，科爾夫的動手能力特別強。1937年，科爾夫從萊頓大學醫學院畢業後前往格羅寧根大學醫學院內科當實習生。1938年，科爾夫在目睹一位22歲的患者因急性腎功能衰竭而死亡後，決定開發一種替代腎臟的治療方法。
腎臟的生理功能主要包括生成尿液以排出人體代謝產物，調節體內水、滲透壓、電解質及酸鹼平衡以維持機體內環境穩定，使新陳代謝正常進行並調節內分泌功能。科爾夫在圖書館找到了一篇John Abel在1913年發表的動物血液透析的文章，並深受啟發，開始動手做人造腎臟的實驗。他將香腸腸衣當作半透膜，在香腸腸衣裡灌滿血液，排掉空氣，加入尿素。然後浸入裝滿鹽水的浴缸。5分鐘後，香腸裡的尿素都轉移到了鹽水裡。
二戰爆發後，納粹入侵荷蘭，科爾夫的導師、格羅寧根大學醫學院內科系系主任不願為納粹工作選擇了自殺。科爾夫也不願為納粹工作，但他更不願放棄自己的研究，於是來到了Kamper醫院。在那，他利用戰亂的鄉村中能收集到的材料：一架被擊落的德國空軍戰鬥機、廢棄的福特汽車的水泵、橙汁罐子、搪瓷浴缸、木鼓和人造香腸腸衣等，製成了一臺「轉鼓式人造腎臟」。
從1944年3月至1945年7月，科爾夫共治療了15例尿毒症患者，僅存活一例，該例是由藥物引起的急性腎功能衰竭。科爾夫事後總結認為，該例患者不是由人造腎臟救活的，而是由於排除了磺胺結晶，解除了腎小管梗阻，才讓腎功能恢復了。1945年9月，科爾夫治療了一位急性膽囊炎伴急性腎功能衰竭。病人在透析11.5個小時後才從昏迷狀態恢復，且在1周後，康復出院。這是人類歷史上第一例由人造腎臟成功救活的急性腎衰患者。
一位使用轉鼓式人造腎臟正在進行透析的病人
二、初到美國，就讓心臟「暫停跳動」！
1950年，科爾夫收到克利夫蘭診所的邀請來到了美國。在克利夫蘭診所，科爾夫與弗蘭克•梅森•曾根（Frank Mason Sones）、唐納德·埃弗勒（Donald Effler）進行了很多深度合作，為克利夫蘭醫學診所設計了第一個可供臨床使用的人工心肺機。
左：弗蘭克•梅森•曾根（Frank Mason Sones）；右：唐納德·埃弗勒（Donald Effler）
心臟內腔手術（如心臟搭橋手術）必須在直視條件下才能進行，也就是說，需要切開心臟並暫時阻斷上下腔靜脈的血流，讓心臟內處於無血狀態。在正常情況下，靜脈血流停止時間不能超過3到4分鐘，否則患者會因為缺氧而死亡。而科爾夫在1944年給患者透析的時候就發現血在轉鼓式人造腎臟中會被氧合，於是發明了聚乙烯毛細血管轉鼓型膜式氧合器。
科爾夫在查閱文獻的時候發現，有位曾報導過將檸檬酸鉀注射進冠狀動脈可以使心臟暫停跳動。1956年3月17日，由埃弗勒主刀為一個17月大的患兒進行房間隔缺損修補的手術，科爾夫負責體外循環，這是克利夫蘭診所第一次使用科爾夫設計的膜式氧合器的體外循環機進行心臟手術，也是醫學史上第一次實現使用檸檬酸鉀讓心臟停跳再復跳。這個患兒術後恢復順利，15天後出院。
克利夫蘭診所也因此在心臟病治療方面聲名鵲起，後來阿根廷醫生勒內·赫羅尼莫·法瓦洛羅的加入，又使這家醫院在心肌血運重建領域率先取得突破。僅僅數年，克利夫蘭診所就由一所小型私人醫院成長為舉世聞名的心臟醫療中心。在U.S.News & World Report的排名中，從1995年起，克利夫蘭的心臟外科已經蟬聯榜首25年。
克利夫蘭的心臟外科蟬聯榜首25年
三、「心臟既然能長出來，就一定能被造出來！」
1957年，科爾夫和35歲的日本研究者阿久津哲三（Tetsuzo Akutsu）合作，開發出了一種有4個腔室的人造心臟。這個人造心臟通過使用循環液壓來產生脈動流。1957年12月12日，他們將一條實驗犬麻醉後連上體外循環機，在體外循環的支持下，將這枚人造心臟植入實驗犬體內。當體外循環停止後，人造心臟繼續維持了90分鐘的血液循環。4個月後，科爾夫和阿久津哲三在美國人工器官協會的第四次會議上報告了這次試驗。
左：有4個腔室的人造心臟；右：科爾夫和阿久津哲三
科爾夫將「人造心臟」從概念變成了現實。1964年，美國國立衛生研究院成立了人造心臟項目，美國國家心肺和血液研究所提出了「到1970年設計出人造心臟」的目標。1967年，科爾夫成為鹽湖城猶他大學的教授。他在那裡主導建設了世界聞名的人造器官實驗室，為鹽湖城贏得了「 Biocon Valley」的美譽。人造器官實驗室由175個內科醫生、外科醫生、工程師、化學家，及其它專家組成。科爾夫規定以項目負責人的姓氏命名每個人造器官。
從1960年代到1970年代，在科爾夫的領導下人造心臟開始飛速發展。1983年，鹽城湖猶他大學醫學中心首次將人造心臟植入了人體，引起了全球的關注。患者在人造心臟的支持下存活了112天。
科爾夫和人工心臟們
直到2005年，科爾夫仍在工作積極研究新的、更好的人造器官。儘管他的聽力和視力下降，他一直在世界各地演講直到2006年底，並且每天至少工作5個小時來完善人造器官。2006年12月，科爾夫第三次退休（第一次是1986年，第二次是1997年）。
結語
隨著生物醫學工程技術的不斷發展，新型的人體機能替換裝置不斷湧現。但我們不要忘了，是科爾夫最先證明了機器可以替代人體器官，是他的發明，開創了生物醫學工程時代！
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