機器魚再現心臟收縮中國人造心臟蓄勢待發

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

近日，據英國《每日郵報》報道，一項新研究發現，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域的關鍵性突破。這項由美國哈佛大學與埃默里大學合作開展的新研究發表于頂級期刊《科學》，研究人員使用自主研發的“生物混合體”設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人類心臟肌肉收縮，幫助“機器魚”實現尾鰭擺動（圖1）。設計靈感來自斑馬魚的形狀和游泳動作，因外形生動逼真，經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中汲取設計靈感，確定使心臟工作的關鍵生物物理原理，將它們用作設計標準，使用心肌細胞應用到系統中，創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調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，但尾鰭兩側分布兩層負責執行收縮命令的心肌細胞，當一側的肌肉細胞收縮時，另一側的肌肉細胞便會伸展。這種拉伸會觸發一種蛋白質，促使它們收縮，從而觸發另一次拉伸，依此類推形成“自主游泳”的流暢動作，在無任何干預情況下可維持超過 100天。來自哈佛大學工程與應用科學學院的研究員基特·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。此項發明標志著向人造心臟邁出關鍵性一步”。

國內現狀：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。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”，與原有心臟協同工作。目前，臨床用途主要可分為三大方向（圖2）。

據悉，全球應用于臨床的商業化產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量。當前，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已廣泛應用于心衰治療。在中國，該類醫療器械的研發和應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用的關注熱點。

據《中國心血管健康與疾病報告2020》，我國心血管疾病患病人數約為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，推動了中國高端醫療器械領域的進步，為心衰患者帶來福音，也成為科學家們努力攻堅克難的重點方向。

國內人造心臟發展進程

人工心臟技術研發始于上世紀50年代，迄今共經歷了三代技術路線的演變創新與發展：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，已逐漸退出臨床應用，而機械軸承式VAD對血液存在較大破壞、血栓發生率較高。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技術方向發展。下面，讓我們來近距離了解下國內人造心臟進展：

企業品牌：重慶永仁心醫療器械有限公司

成就：國內首款植入式心室輔助產品；國內第一個正式上市銷售的植入式心室輔助產品

優勢：引入日本高科技，采用離心泵結構的植入式左心室輔助系統，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，導致患者行動受限

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

該產品系由日本HI-LEX集團旗下的太陽醫療技術研究所集日本早稻田大學、東京女子醫科大學、日本產業技術研究所等科研機構50余年基礎研究之經驗，以及20余年聯合設計開發的科技產品結晶。自2014年首次引入技術實施國產化，永仁心公司展現了一副“技術在手，天下我有”的游刃有余的姿態（圖4），在多項審批和臨床試驗中進展順利。

“永仁心”人工心臟具有“低轉速、大流量、脈動性”等獨特技術特性，采用離心泵結構的植入式左心室輔助系統，由體內組件和體外組件構成，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，而且幾乎不能進行打球、騎馬等體育運動。

企業品牌：蘇州同心醫療器械有限公司

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

優勢：解決創口感染難題，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生

劣勢：價格不菲，普通家庭難以負荷

2015年，同心醫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，這個“鐵疙瘩”被醫學界親切地稱為“中國心”。這顆“中國心”，在技術上不輸世界頂級人工心臟，相較美國頂尖的雅培HeartMate 3已經更具優勢。目前，該產品的相關基礎技術獲得了包括美國、歐洲、日本專利在內的國際專利保護。“中國心”的問世不僅填補了國內人工心臟領域的空白，更為晚期心力衰竭患者帶來“心”的希望。

研發“中國心”的企業為蘇州同心醫療器械有限公司（以下簡稱同心醫療），是國內首家研發國際領先的人工心臟及其相關技術的高科技公司，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子及制備方法等。同心醫療曾創下國內四個“唯一”：唯一純國資企業生產；唯一自始至終醫工結合；唯一國內原創獨立自主知識產權；唯一全套產品國內研制。

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

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

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

企業品牌：

成就：擁有完全自主知識產權的“超小型磁懸浮離心式人工心臟”

優勢：臨床應用場景廣泛；實驗數據展示了極好的血液兼容性；功耗低，續航能力強，發熱少

劣勢：價格不菲，普通家庭難以負荷

磁懸浮技術使得人工心臟在血液相容性方面實現了本質性的突破，但因技術復雜，在微型化方面仍面臨嚴峻挑戰。人工心臟的微型化可謂是“毫厘必爭“，因為產品體積小，醫生在手術植入術式（微創化）、植入位置的選擇上更加靈活，病人群體選擇更加廣泛，對病人的手術侵犯也更低，病人的生命質量更能得到保障。

2020年10月，深圳核心醫療科技有限公司（以下簡稱為核心醫療）著力突破，其研發的自主知識產權產品“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，對比國內外官方公布的VAD領域數據，核心醫療的產品較市場現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權的“超小型磁懸浮離心式人工心臟植入術”在阜外華中心血管病醫院成功實施。該手術的成功實施，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，達到國際領先水平，具有里程碑意義。

從應用場景來看，這款產品臨床應用場景廣泛，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、輔助心臟機能恢復的短期治療，以及部分替代ECMO的體外循環輔助和應急性循環輔助治療等。

成立于2016年，深圳核心醫療作為一家超小型磁懸浮人工心臟研發商，得力于技術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，核心醫療完成數千萬元的天使輪融資。2020年10月16日，深圳核心醫療科技有限公司宣布完成A輪融資，金額為近億元人民幣，投資方為聯新資本、普華資本和倚鋒資本。

人工心臟是復雜性極高的植入式醫療器械，涉及大量跨學科、跨行業、跨機構的對話和溝通，由于學科和視角的多元化，企業、醫學界和監管機構都會有不同的理解。人工心臟的研發制造能力反映了我們國家的高端醫療器械科技水平達到了前所未有的新高度，更打破了歐美發達國家一直以來的壟斷優勢。

如何讓人工心臟惠及廣大患者？小編認為還需多方發力，共同努力：首先，企業方應繼續加大投入，引入人才，創新技術和工藝，讓人工心臟的材料和技術等成本下降，更好實現醫工結合；其次，國家主管部門可嘗試在部分地區實行人工心臟植入手術的醫保部分覆蓋，減輕患者負擔，提高大眾對人工心臟的接受度；同時，需建立更科學的審批制度，為醫療器械創新企業開啟綠色通道，助力更多技術或器械能夠快速落地，惠及廣大患者群體。