本文摘录自 Sian E. Harding 的著作《精致的机器：心脏的新科学》。 原文发表于 麻省理工学院出版社读者杂志。
没有任何事物比我们自己试图模仿心脏而失败的尝试更能清晰地展现心脏的完美设计。全人造心脏的历史充满了辉煌的创新和持续的临床失败。1962年，约翰·F·肯尼迪向科学界发出挑战，要求在十年内将人类送上月球并安全返回地球。1964年，心血管外科医生迈克尔·德贝基说服林登·B·约翰逊总统资助一项计划，开发第一台功能齐全的独立式人造心脏，从而展开了一场在登月之前成功制造出人造心脏的竞赛。1969年，两项目标似乎都实现了，德克萨斯心脏研究所的人造心脏在阿波罗11号发射前三个月成功植入了第一台全人造心脏。然而，尽管登月任务催生了航天飞机、火星探测器和国际空间站，并（尽管经历了一段漫长的停滞期）提出了新的月球基地开发目标以实现登陆火星的计划，但一个可靠的、现成的全人造心脏仍然遥不可及。
最初，人造心脏的目标是作为衰竭器官的终生替代品。这是一个很高的目标，因为第一代设计有一个外部压缩机，通过一根穿过皮肤连接到患者体内的气管。压缩空气使达克龙气囊或袋鼓胀和收缩，从而挤压和扩张以将血液从周围的腔体中排出。虽然将压缩机置于体外很有用，因为最容易磨损的机械部件可以轻松更换，但患者需要随身携带一个笨重的设备。很难想象这样的设备如何能够让患者过上多年半正常的生活。
然而，人造心脏的历史也与心脏移植的历史息息相关。在20世纪60年代初，心脏移植也仅仅是一个充满希望的梦想，但到了1967年，心脏外科医生克里斯蒂安·巴纳德在开普敦进行了第一次成功的心脏移植手术。此时，这些早期人造心脏的用途发生了变化。它们不再需要适合终身使用；它们的目的是在找到移植供体之前维持患者的生命。与许多高度实验性的疗法一样，第一个案例是针对一个已无其他选择的患者进行的。一名47岁的男子正在接受手术，以修复左心室一个巨大的动脉瘤，该动脉瘤已经导致心壁变薄和膨胀。在手术过程中，他依靠心肺机维持生命，该机器绕过了心脏，保持血液在体内循环。然而，手术结束后，他无法脱离机器，因为他的心脏过于虚弱。他迫切需要一次移植。德贝基的同事丹顿·库利为他提供了新开发的实验性全人造心脏，他接受了。该患者在植入新设备后病情稳定了64小时，直到找到匹配的供体心脏并成功移植。
尽管英国有超过75万的心力衰竭患者，但每年只有大约200例心脏移植手术，全球情况也类似。
起初，这似乎是全人造心脏的胜利，但悲剧的是，患者在32小时后因败血症死亡。不仅如此，该装置还损害了血液和肾脏，扩张袋的内壁也覆盖着血栓。这预示着一系列问题将持续困扰着致力于这项手术的科学家和工程师。对于任何需要永久穿过皮肤的导线装置来说，感染和败血症都是持续的挑战。血液循环装置会改变血液的成分，而异物表面会导致血液凝结，从而引起中风和血液分解。后来的一个版本，第一代贾维克心脏，被植入了五名患者，其中一人存活了620天。但其中两名患者发生了严重的中风，最终所有患者都死于败血症或血液问题。
心脏移植的开端也很坎坷，巴纳德的第一位患者仅在18天后就去世了。英国第一位接受心脏移植的患者，由胸心外科医生唐纳德·罗斯在伦敦国家心脏医院进行手术，仅存活了45天，总体成功率仍然令人失望。这里的问题不在于手术的机械操作或新心脏的初始性能。而是受体免疫系统与供体心脏不匹配。即使供体心脏在主要组织类型上已尽可能与患者匹配，也必须抑制免疫系统以防止心脏被排斥。早期用于抑制免疫系统的药物并不十分先进，但1980年代初环孢素的出现彻底改变了免疫抑制疗法，大大提高了心脏移植的成功率。如今，心脏移植手术正因自身的成功而成为一种“受害者”，需要移植的人数远远超过可用的供体数量。尽管英国有超过75万的心力衰竭患者，但每年只有大约200例心脏移植手术，全球情况也类似。为了弥补这一差距，科学家们一直在对猪进行基因改造，使其心脏与人类免疫系统兼容，以便移植给患者而不会被排斥。这被证明是非常复杂和具有挑战性的，但第一次临床移植手术已于2022年开始。
然而，心脏移植的成功重新激发了对全人造心脏的探索，目标更为现实：在找到供体之前维持患者生命，即所谓的“移植桥接”。几十年来，人造心脏技术通过改进生物相容性材料、优化瓣膜设计和更有效地处理血流而不断进步。取得了一些成功：一项研究显示，80%的人造心脏患者存活一年以上，部分患者存活六年。患者接受支持直至移植的最长记录是1,373天。但严重的感染并发症仍然很常见，而全“终末期”人造心脏治疗的目标仍然是一个遥远的梦想。
与此同时，移植桥接的迫切需求将技术推向了另一个方向。其理念不再是完全取代衰竭的心脏，而是通过辅助血流来支持它。心室辅助装置（VAD）通过完全不同的路径将血液从心室中抽出，并以高压泵入主动脉。这增加了心脏搏出的血量，从而放大了有效的心输出量。它还解决了全人造心脏工程师遇到的另一个问题——如何平衡左右心室的血流。左心室/体循环中的血液循环量必须非常接近右心室/肺循环中的血液循环量。每天跳动10万次，即使每次搏动有一茶匙的差异，日积月累也会导致500升血液流向错误的地方。心脏已经进化出复杂的生物机制来确保这种情况不会发生，但工程师们在试图用反馈系统实现同样的目标方面遇到了巨大的困难。对于VAD来说，可以独立地支持右心室（或更常见地）左心室，从而解决了这个问题。
左心室辅助装置（LVAD）为晚期心力衰竭的治疗带来了革命。目前全球已植入了超过15,000台LVAD，大约三分之一的晚期心力衰竭患者现在依靠LVAD维持生命。通常的目的是将患者作为移植的桥梁，但事实上，由于供体心脏的短缺，患者往往可以在LVAD支持下生活多年。七年生存率超过50%，并有报道称患者在这些设备上存活长达13年。因此，LVAD已成为一种独立的治疗方法。同样，技术也在不断进步，新款LVAD的性能更好。一个突破性的想法是停止模仿心脏搏动的动作，转而采用恒定血流。旋转的叶轮（叶轮）以连续运动推动血液，产生平稳不间断的血流。这带来了一个奇怪的副作用，即患者没有脉搏，这可能会让毫无准备的医生感到不安，并且在身体适应新的血流时也会产生一些不良副作用。外部电池组仍然是一个不便，并且是感染的来源，但正在开发基于感应（类似家用电磁炉）的系统，通过经皮（穿过皮肤）传输能量。LVAD单元仍然需要一个小的植入电池，以防临时设备故障——而且曾经发生过手提包窃贼抢夺患者的外部电池组的事件！
完全可植入式全人造心脏的研发仍在继续。试图开发外部经皮单元以完全满足心脏的能量需求是最大的障碍。全人造心脏的规格要求其每分钟泵血8升，血压为110 mmHg。（如果ATP不能在细胞中不断更新，那么要为您的心脏提供动力完成这项工作，您身体每天所需的生物能量储存分子三磷酸腺苷（ATP）的量将超过您体重的二分之一。）压缩机已被小型化以提高便携性，但要使其完全可植入却是一个艰苦的斗争。在这里，VAD技术似乎可以提供解决方案，完全摒弃压缩机，而改用叶轮装置，并让左右双VAD协同工作。
解决方案似乎近在咫尺，但没有人预料到会一帆风顺。多年来的诸多失败无疑让科学家们对心脏的自然设计产生了敬畏和谦逊。
Sian E. Harding 是伦敦帝国理工学院国家心脏与肺研究所的荣誉心脏药理学教授，曾任该学院心血管科学系和英国心脏基金会心脏再生中心主任。她是《精致的机器》一书的作者，本文摘录自该书。.
