科学研究 - 【人物】阿久津哲造：人工心脏之父的一生

人类为了生存，必须通过心脏循环血液，将氧气和营养物质输送到身体的各个细胞。心脏是输送全身血液的器官，对维持生命起着重要作用。如果心脏出现问题、受损严重时就需要通过手术予以治疗。但如果不能通过正常手术治愈，则必须考虑更换整个心脏。心脏移植和使用人工心脏是可能的方法，这个“人工心脏 ”的概念可以追溯到古希腊时代。被认为创造了希腊神话的荷马，在一首史诗中描述背上长着翅膀的“死神 ”塔纳托斯（Thanatos）拥有一颗铁心和一颗铜心。即使在现代，人工心脏仍然存在于奇幻小说中，比如能将非凡能力赋予不朽英雄。

据说在19世纪上半叶，法国生理学家勒伽罗瓦(César Julien Jean Legallois)是第一个将人工心脏与心脏移植一起介绍给医学界的人，他写道："将有可能获得一个人自己的心脏的替代品，不管是天然的还是人工的，并保持它的泵血功能，这样身体的任何部位都可以永生"。之后在20世纪初叶，查尔斯·林德伯格（Charles Augustus Lindbergh）和亚历克西·卡雷尔（Alexis Carrel）首次在体外灌注装置的实验中成功保持了器官活力。

日本最早研究人工心脏的是阿久津哲造(Tetsuzo Akutsu)。他于1947年毕业于名古屋帝国大学（现名古屋大学）医学院，并于1954年在该校获得博士学位。1951年，阿久津还是该校的外科医务人员时，就被教授指派研究人工心肺。阿久津意识到，这一全新主题与以实验为中心的普通研究大相径庭。这个课题仅靠医学家是无法完成的，如果不先在工程师的帮助下制造出一个叫人工心肺的“东西”就无法推进。比如说制作设备的材料、机理知识、电学知识……这些都不是单靠医学家的力量就可以完成的。

很快有两位工程师加入了阿久津的研究团队。一位是机械知识和技术都很出色的物理学家，另一位是一家大型电子制造商的工程师，他在控制驱动器的设计中发挥了重要作用。因为阿久津是团队中最年轻的成员，所以他拿着设备图纸到街道工厂给工匠讲解，偶尔还帮忙组装设备。他惊讶于工匠们对车床、铣床的熟练使用，从中体会到了制造的乐趣。对于他来说，因为工程师和工匠都拥有强大的能力，都是值得尊敬的人。他们研制的心肺假体在动物身上试验成功，甚至还获得了一家大型报社的科研资助。一切似乎都很顺利的时候，他们所依赖的教授却突然病逝了。

由于教授的继任者并非心脏外科专家。失去了支持的阿久津决定去美国发展。当时美国的人工心肺的研究也处于起步阶段。在1953年，约翰·吉本（John Heysham Gibbon）在杰弗逊大学医院成功实施了第一例心房隔缺损闭合术，人工心肺装置（Extracorporeal membrane oxygenation, ECMO）才首次成功应用于人体。阿久津收到了克利夫兰实验室的答复说愿意接受他为研究员，于是他立即飞往美国。由于他研究的是人工心肺，所以被分配到人工器官部门。在当时人工器官的主要研究对象是人工肾脏，著名的权威专家威廉•约翰•科尔夫(Willem Johan Kolff)是该部门的负责人，而阿久津是该部门唯一的心外科医生。

进入科尔夫实验室后不久，阿久津就被要求在一次晨会上发表演讲。阿久津以“心脏手术的结局”为主题，对于无法通过搭桥手术救治的重度心力衰竭患者，他说“只有通过心脏移植或人工心脏才能取代心脏本身”，其他研究人员也对该主题感兴趣。当讨论到是否要将人工心脏作为人工器官部门的研究目标时，科尔夫给出的结论是：“这个课题就交给你这个心脏外科医生了”，于是阿久津的研究题目就这样敲定了。

当时人工心脏还只存在科幻小说的世界里，阿久津的目标是 "无论如何都要让人工看起来和真正的心脏一模一样"，他把自己的办公室从实验室变成了一个摆满了机床的车间，在这里他揉捏粘土、浇灌石膏和沾满油污切割金属。他没日没夜地工作，手工制作所有的零部件。他放假也不回宿舍，以至于宿舍管理员很担心他的情况，甚至还找到其他研究员打听阿久津的安危。

阿久津研制的人工心脏（出典：syncardia.com/artificial-heart-timeline/）

1958年1月，阿久津与科尔夫合作将世界上第一颗人工心脏（水压式聚氯乙烯人工心脏）置入狗体内，并使之生存了近一个半小时，该实验取得成功的新闻在美国和全世界播出，进一步将“人工心脏”概念带入现实。

左：威廉•约翰•科尔夫，右：阿久津哲造（出处：Joseph E. Cole/Pioneers of Cardiac Care Identifier: cleveclinic）

1958年阿久津的动物实验成功，预示着人工心脏时代在不久的将来到来。如果能进一步延长动物实验的存活时间，并将性能提高到可以用于人体的程度，那么人体的人工心脏一定会成为现实。阿久津的成功激发了大家的热情，以美国为主的许多研究人员都积极投入到人工心脏的研发中。

在动物实验成功后，阿久津又继续研制更加成熟的人工心脏技术。他表示，研制人工心脏要考虑以下三个要素。(1)基本材料，(2)要使用的能源和转换方式，(3)控制方法。

先说说(1)基本材料，曾经在动物身上试验成功的人工心脏是用氯乙烯做的。但是由于血液凝固是不可避免的，所以需要寻找替代材料，这时有一家轮胎厂家提出了一种新材料--聚氨酯。这种材料虽然难用，但感觉比氯乙烯更适合。

其次是(2)能源的问题。第一颗人工心脏是通过给它送风来实现跳动的，但由于难以调节，所以还尝试了小型电机和电磁铁。但无论使用哪种能源，都很难找到控制它的方法，研发遇到了障碍。

1960年，美国国家航空航天局（ NASA）正在筹备将人送上月球的 "阿波罗计划"，其基本理念之一就是尽一切可能帮助人类基本理念。美国国家航空航天局的一个实验室表示愿意为阿久津的项目提供免费援助，派遣技术娴熟的工程师对人工心脏的工程进行完善。在日本研发心肺机的经验让深知工程师力量的阿久津欣然接受了这个提议。

关于(3)控制方法，由于在当时具有革命性意义的半自动驱动控制器的发展，人工心脏的研制也开始向前发展。最终，各种类型的人工心脏相继被开发出来。1962年，动物的生存时间打破了24小时的壁垒，并创下了27小时的记录。逐步确立了以硅橡胶为基本材料、以空气驱动泵为动力、以美国国家航空航天局的设备为控制装置的组合方式。到1964年，成功地将动物的生存时间延长到31小时。

阿久津研制的人工心脏（出处：americanhistory）

阿久津研发的人工心脏的是从模仿实际心脏开始的。其目标是把心脏取出来后植入一台机器来代替它，创造一个可以永远使用的人工心脏。这就是所谓的全人工心脏（total artificial heart ，TAH）。但早期的全人工心脏的耐久性有限，长期使用后可能会形成血栓而堵塞心脏。此外，早期的体内人工心脏无法满足泵送功能，需要用管子和电线与体外动力装置连接，容易造成感染。

随后人工心脏的发展重点将转向心室辅助心脏（ventricular assist system，VAS），而不是全人工心脏。心室辅助心脏是一种帮助病变心脏工作的人工心脏，它的研发时间晚于全人工心脏，但却是目前最常见的类型。

在许多的心力衰竭重症病例中，辅助心脏（尤其是压力最大和最脆弱的左心室）可提供足够的心脏功能。由此，开发出了一种以辅助人工心脏辅助左心室的泵血功能、并使病患心脏保持活力的系统。此外研究人员还发现，一些使用了心室辅助心脏的患者最终恢复到了不使用心室辅助心脏也能靠自己的心脏生活的程度，因为他们不堪重负的心肌恢复了力量。一直研发全人工心脏的阿久津也于1964年开始了心室辅助心脏的研究。

就在阿久津回国前的1981年，他研制出用于临床的人工心脏 “Akutsu III”。它是由聚氨酯和硅橡胶制成的一种新材料，采用气动驱动，并配有新开发的控制驱动系统。当年，这颗人工心脏被植入一名重度心力衰竭的男子体内，并在54小时后成功进行了心脏移植。心脏移植手术完成后，检查人工心脏时没有发现出现凝血现象。

阿久津研制的人工心脏（出处：texasheart.org/the-institute/about-us/history/）

回到日本之后阿久津继续推动人工心脏的发展，为其临床应用铺平了道路。如今，许多心脏无法正常跳动的重度心衰患者，都是靠人工心脏生存，与家人一起生活工作。目前使用人工心脏的主要目的是作为“纽带”、暨用人工心脏维持生命，直到心脏移植。在某些情况下，使用人工心脏的患者自然地恢复了自己的心脏功能，并最终能够在没有人工心脏的情况下生活。作为着眼于此的治疗方法，在使用辅助人工心脏的同时、用药物治疗心力衰竭的治疗法已经越来越受到重视。

人工心脏（左）与心脏（右）的示意图（出处：SynCardia Systems, Inc./Wikimedia Commons）

目前将人工心脏与再生医学相结合是研究方向之一，比如从患者腿部肌肉中提取细胞（肌细胞），培养后制成片状，然后再植入患者的心脏中。细胞最终与心肌一起工作，心脏功能得以恢复。一旦心脏功能足够，就可以取出人工心脏，患者可以依靠自己的心脏生活。另外利用iPS细胞培养心肌细胞片，以提高其有效性，虽然这项生物技术尚未被确立，但预计会取得进展。

虽然阿久津哲造于2007年8月9日逝世了，但是他的梦想越来越接近实现了。