機器魚再現(xiàn)心臟收縮中國人造心臟蓄勢待發(fā)

來源：生物探索作者：人氣：-發(fā)表時間：2022-02-23 09:14:00【大中小】

近日，據(jù)英國《每日郵報》報道，一項新研究發(fā)現(xiàn)，一種由人類心臟細胞制成并像魚一樣游泳的活體“機器魚”或可成為人造心臟領(lǐng)域的關(guān)鍵性突破。這項由美國哈佛大學(xué)與埃默里大學(xué)合作開展的新研究發(fā)表于頂級期刊《科學(xué)》，研究人員使用自主研發(fā)的“生物混合體”設(shè)計了一種可以自主游泳的“機器魚”，這種生物混合體可以再現(xiàn)人類心臟肌肉收縮，幫助“機器魚”實現(xiàn)尾鰭擺動（圖1）。設(shè)計靈感來自斑馬魚的形狀和游泳動作，因外形生動逼真，經(jīng)常會被誤認為是真魚。

此次研究中，研究人員不再使用心臟成像作為藍圖，而是嘗試從心臟的生物物理學(xué)中汲取設(shè)計靈感，確定使心臟工作的關(guān)鍵生物物理原理，將它們用作設(shè)計標準，使用心肌細胞應(yīng)用到系統(tǒng)中，創(chuàng)造一條鮮活可游泳的生物雜交魚。隨著心肌細胞的成熟，魚的肌肉收縮幅度、最大游泳速度和肌肉協(xié)調(diào)性在一個月后都有明顯進步。

這個外型可愛的“機器魚”不到半英寸長，由塑料翅片和紙脊制成，但尾鰭兩側(cè)分布兩層負責(zé)執(zhí)行收縮命令的心肌細胞，當(dāng)一側(cè)的肌肉細胞收縮時，另一側(cè)的肌肉細胞便會伸展。這種拉伸會觸發(fā)一種蛋白質(zhì)，促使它們收縮，從而觸發(fā)另一次拉伸，依此類推形成“自主游泳”的流暢動作，在無任何干預(yù)情況下可維持超過 100天。來自哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究員基特·帕克說：“由干細胞培育的人造心臟可以造福心律失常（一種心臟節(jié)律的異常）的患者，此次研究的最終目標是建造人造心臟來代替兒童畸形心臟，以期解決兒童可移植心臟供體缺乏的難題。此項發(fā)明標志著向人造心臟邁出關(guān)鍵性一步”。

國內(nèi)現(xiàn)狀：供體匱乏，仍存在巨大缺口

早在20世紀50年代，人工心臟的理念被提出。人工心臟被譽為“醫(yī)療器械皇冠上的寶石”，主要功能是利用生物機械手段部分或全部替代心臟泵血功能，維持患者的血液循環(huán)。人工心臟分為兩類：一類是把真正的心臟挖掉，用人工的機械心臟替代，屬于完全人工心臟；另一類為輔助人工心臟，即是將原有心臟保留，在旁邊放置第二顆“心臟”，與原有心臟協(xié)同工作。目前，臨床用途主要可分為三大方向（圖2）。

圖2 人工心臟的三大臨床應(yīng)用（信息來源：[4]｜制圖：生物探索編輯團隊）

據(jù)悉，全球應(yīng)用于臨床的商業(yè)化產(chǎn)品之一的雅培第三代磁懸浮人工心臟，其2年生存率達79%，已接近活體心臟移植的存活率82%，顯著提高心衰患者生存率和生活質(zhì)量。當(dāng)前，全球已有超過30000例患者接受心室輔助裝置（VAD）植入，在美國、歐洲以及日本等地VAD已廣泛應(yīng)用于心衰治療。在中國，該類醫(yī)療器械的研發(fā)和應(yīng)用遠不及歐美和日本，但同樣面臨著巨大的臨床需求，已成為目前心血管器械和臨床應(yīng)用的關(guān)注熱點。

據(jù)《中國心血管健康與疾病報告2020》，我國心血管疾病患病人數(shù)約為3.3億，其中心力衰竭患者約890萬人，心力衰竭是全球唯一呈增長趨勢的心臟疾病。然而2020年我國心臟移植治療心力衰竭總例數(shù)僅為557例，每年約有十萬計的新增患者需進行心臟移植。心臟移植由于供體匱乏，遠遠無法滿足患者需求，許多患者在等待供體過程中失去生命。

人工心臟作為心力衰竭救治的有效方法，推動了中國高端醫(yī)療器械領(lǐng)域的進步，為心衰患者帶來福音，也成為科學(xué)家們努力攻堅克難的重點方向。

國內(nèi)人造心臟發(fā)展進程

人工心臟技術(shù)研發(fā)始于上世紀50年代，迄今共經(jīng)歷了三代技術(shù)路線的演變創(chuàng)新與發(fā)展：搏動式VAD、機械軸承式VAD、磁懸浮式VAD。搏動式VAD因裝置體積龐大，機械故障率高，已逐漸退出臨床應(yīng)用，而機械軸承式VAD對血液存在較大破壞、血栓發(fā)生率較高。為降低血液損傷幾率，人工心臟逐漸向微型化磁懸浮離心式VAD技術(shù)方向發(fā)展。下面，讓我們來近距離了解下國內(nèi)人造心臟進展：

企業(yè)品牌：重慶永仁心醫(yī)療器械有限公司

成就：國內(nèi)首款植入式心室輔助產(chǎn)品；國內(nèi)第一個正式上市銷售的植入式心室輔助產(chǎn)品

優(yōu)勢：引入日本高科技，采用離心泵結(jié)構(gòu)的植入式左心室輔助系統(tǒng)，可對患者的心臟泵功能起部分替代或輔助作用

劣勢：價格不菲，普通家庭難以負荷；重量過重，導(dǎo)致患者行動受限

2019年8月26日，中日合資企業(yè)重慶永仁心醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的植入式左心室輔助系統(tǒng)EVAHEART I（以下簡稱“永仁心”人工心臟）獲得國家藥品監(jiān)督管理總局批準。“永仁心”人工心臟是當(dāng)時唯一一個進入臨床運用的人工心臟產(chǎn)品，也是我國第一個正式上市銷售的植入式心室輔助產(chǎn)品（圖3）。

該產(chǎn)品系由日本HI-LEX集團旗下的太陽醫(yī)療技術(shù)研究所集日本早稻田大學(xué)、東京女子醫(yī)科大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所等科研機構(gòu)50余年基礎(chǔ)研究之經(jīng)驗，以及20余年聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的科技產(chǎn)品結(jié)晶。自2014年首次引入技術(shù)實施國產(chǎn)化，永仁心公司展現(xiàn)了一副“技術(shù)在手，天下我有”的游刃有余的姿態(tài)（圖4），在多項審批和臨床試驗中進展順利。

圖4 重慶“永仁心”在國內(nèi)發(fā)展歷程（信息來源：[3]｜制圖：生物探索編輯團隊）

“永仁心”人工心臟具有“低轉(zhuǎn)速、大流量、脈動性”等獨特技術(shù)特性，采用離心泵結(jié)構(gòu)的植入式左心室輔助系統(tǒng)，由體內(nèi)組件和體外組件構(gòu)成，通過搭建起心臟左心室到主動脈的旁路，對患者的心臟泵功能起部分替代或輔助作用。

但這顆永仁心臟價格不菲，不是普通家庭所能承受的。一次手術(shù)下來，患者需要支付100多萬元。不僅如此，永仁心臟重量有450克，電池等驅(qū)動裝置重達3公斤，患者通常需要推一輛小車才能四處活動，而且?guī)缀醪荒苓M行打球、騎馬等體育運動。

企業(yè)品牌：蘇州同心醫(yī)療器械有限公司

成就：首個擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)人工心臟；世界上最小的第三代全磁懸浮式人工心臟（截止2015年）

優(yōu)勢：解決創(chuàng)口感染難題，極大提高泵效率和安全性，減輕對血液成分的破壞，明顯減少出血和血栓事件的發(fā)生

劣勢：價格不菲，普通家庭難以負荷

2015年，同心醫(yī)療自主研制出了世界上最小的第三代全磁懸浮式人工心臟（圖5），直徑50毫米、厚度26毫米、重量不到180克，大小和乒乓球差不多，重量與手機相當(dāng)，這個“鐵疙瘩”被醫(yī)學(xué)界親切地稱為“中國心”。這顆“中國心”，在技術(shù)上不輸世界頂級人工心臟，相較美國頂尖的雅培HeartMate 3已經(jīng)更具優(yōu)勢。目前，該產(chǎn)品的相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)獲得了包括美國、歐洲、日本專利在內(nèi)的國際專利保護。“中國心”的問世不僅填補了國內(nèi)人工心臟領(lǐng)域的空白，更為晚期心力衰竭患者帶來“心”的希望。

研發(fā)“中國心”的企業(yè)為蘇州同心醫(yī)療器械有限公司（以下簡稱同心醫(yī)療），是國內(nèi)首家研發(fā)國際領(lǐng)先的人工心臟及其相關(guān)技術(shù)的高科技公司，目前該公司已注冊專利共45條，其中包含自阻尼抑制振動的磁懸浮人工心臟血泵轉(zhuǎn)子及制備方法等。同心醫(yī)療曾創(chuàng)下國內(nèi)四個“唯一”：唯一純國資企業(yè)生產(chǎn)；唯一自始至終醫(yī)工結(jié)合；唯一國內(nèi)原創(chuàng)獨立自主知識產(chǎn)權(quán)；唯一全套產(chǎn)品國內(nèi)研制。

在正式獲批上市之前，全磁懸浮人工心臟在北京阜外醫(yī)院、武漢協(xié)和醫(yī)院，已完成臨床試驗25例。2021年8月31號，“中國心”首例國產(chǎn)人工心臟植入術(shù)（圖6）患者從江蘇省人民醫(yī)院心臟大血管外科病房康復(fù)出院。

2021年11月25日，根據(jù)國家藥品監(jiān)督管理局（NMPA）公示顯示，同心醫(yī)療產(chǎn)品CH-VAD植入式左心室輔助系統(tǒng)正式獲批上市。這款產(chǎn)品是我國首個獲得NMPA批準的擁有完備自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)人工心臟，也是全球范圍內(nèi)首個獲NMPA批準的全磁懸浮式人工心臟。

2021年12月，由同心醫(yī)療自主研發(fā)的、中國首個獲得國家藥品監(jiān)督管理局（NMPA）批準的全磁懸浮植入式心室輔助系統(tǒng)（人工心臟）正式宣布上市，這標志著全球新一代核心技術(shù)（全磁懸浮技術(shù)）的心室輔助系統(tǒng)在中國商業(yè)化落地，即將開啟心衰治療新時代。

企業(yè)品牌：

成就：擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“超小型磁懸浮離心式人工心臟”

優(yōu)勢：臨床應(yīng)用場景廣泛；實驗數(shù)據(jù)展示了極好的血液兼容性；功耗低，續(xù)航能力強，發(fā)熱少

劣勢：價格不菲，普通家庭難以負荷

磁懸浮技術(shù)使得人工心臟在血液相容性方面實現(xiàn)了本質(zhì)性的突破，但因技術(shù)復(fù)雜，在微型化方面仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。人工心臟的微型化可謂是“毫厘必爭“，因為產(chǎn)品體積小，醫(yī)生在手術(shù)植入術(shù)式（微創(chuàng)化）、植入位置的選擇上更加靈活，病人群體選擇更加廣泛，對病人的手術(shù)侵犯也更低，病人的生命質(zhì)量更能得到保障。

2020年10月，深圳核心醫(yī)療科技有限公司（以下簡稱為核心醫(yī)療）著力突破，其研發(fā)的自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品“超小型磁懸浮離心式人工心臟”于首次面世，直徑34毫米、厚度26毫米、重量約90克，對比國內(nèi)外官方公布的VAD領(lǐng)域數(shù)據(jù)，核心醫(yī)療的產(chǎn)品較市場現(xiàn)有的磁懸浮人工心臟直徑縮小了40%，重量減少了60%，系目前全球尺寸最小、重量最輕的磁懸浮離心式人工心臟。

2021年10月8日，全球首例具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的“超小型磁懸浮離心式人工心臟植入術(shù)”在阜外華中心血管病醫(yī)院成功實施。該手術(shù)的成功實施，標志著我國急危重癥心臟疾病的救治能力邁上新的歷史高度，達到國際領(lǐng)先水平，具有里程碑意義。

從應(yīng)用場景來看，這款產(chǎn)品臨床應(yīng)用場景廣泛，不但可用于終末期心衰患者的永久性治療，也可以用于心臟移植前的過渡治療、輔助心臟機能恢復(fù)的短期治療，以及部分替代ECMO的體外循環(huán)輔助和應(yīng)急性循環(huán)輔助治療等。

成立于2016年，深圳核心醫(yī)療作為一家超小型磁懸浮人工心臟研發(fā)商，得力于技術(shù)實力和人工心臟的市場潛力引來眾多資本的垂青。2019年11月，核心醫(yī)療完成數(shù)千萬元的天使輪融資。2020年10月16日，深圳核心醫(yī)療科技有限公司宣布完成A輪融資，金額為近億元人民幣，投資方為聯(lián)新資本、普華資本和倚鋒資本。

人工心臟是復(fù)雜性極高的植入式醫(yī)療器械，涉及大量跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨機構(gòu)的對話和溝通，由于學(xué)科和視角的多元化，企業(yè)、醫(yī)學(xué)界和監(jiān)管機構(gòu)都會有不同的理解。人工心臟的研發(fā)制造能力反映了我們國家的高端醫(yī)療器械科技水平達到了前所未有的新高度，更打破了歐美發(fā)達國家一直以來的壟斷優(yōu)勢。

如何讓人工心臟惠及廣大患者？小編認為還需多方發(fā)力，共同努力：首先，企業(yè)方應(yīng)繼續(xù)加大投入，引入人才，創(chuàng)新技術(shù)和工藝，讓人工心臟的材料和技術(shù)等成本下降，更好實現(xiàn)醫(yī)工結(jié)合；其次，國家主管部門可嘗試在部分地區(qū)實行人工心臟植入手術(shù)的醫(yī)保部分覆蓋，減輕患者負擔(dān)，提高大眾對人工心臟的接受度；同時，需建立更科學(xué)的審批制度，為醫(yī)療器械創(chuàng)新企業(yè)開啟綠色通道，助力更多技術(shù)或器械能夠快速落地，惠及廣大患者群體。