心衰,是一种由于心脏泵血功能失常引发的疾病。
在早期,患者可能会出现气促、胸闷、乏力等症状,影响患者正常生活。近年来,心衰药物出现诸多突破式进展,但都只能延缓病情发展,无法完全根治。而当心衰发展至终末期时,将随时危害患者的生命,唯有心脏移植才能获得一线生机。
心脏供体不足是全球心衰患者共同面临的难题。1978年,美国科学家贾维克(Jarvik)建立了人工心脏的“贾维克(Jarvik)模型”,并研制了第一颗永久性全人工心脏,这标志着人工心脏技术的重要里程碑。
此后,不断有科研人员对人工辅助心脏展开研究。虽然我国起步较晚,但近十年进展迅速。2022年,航天泰心科技有限公司(后简称航天泰心)自主开发的具有完全自主知识产权的人工心脏“火箭心”—HeartCon 型植入式左心室辅助系统(以下简称“火箭心”)取得国家第三类医疗器械产品注册证,成功获批上市。
航天泰心总经理韩志富告诉橙果局:“我们的使命不仅是要造出安全可靠的“火箭心”,也要让老百姓能用得起,这是航天人的使命与责任。”
人工心脏,一个百亿级别的“小”赛道
截至2023年,我国约有1370万心衰患者。随着老龄化的发展,这一数据每年还在不断攀升。然而,我国只有70多家医疗机构具备心脏移植资格,由于心脏供体严重不足,2023年心脏移植仅941例。韩志富表示:“这与我国国情是密不可分的。”
死亡标准是影响供体数量、质量的重要原因。我国对于死亡的判定是以呼吸、心脏、脉搏均告停止为标准,而非“脑死亡”,然而在心脏热缺血时间超过10分钟后,便无法作为供体使用。另外,心脏冷缺血时间只有6-8小时,我国幅员辽阔,供体转运难度大。同时,受“身体发肤受之父母”等传统观念影响,有较大一部分人群难以接受器官捐献。
虽然近几年随着社会的进步,部分人对于器官捐献的态度有所改观,但在死亡标准以及运输的限制下,心脏供体仍然无法满足心衰患者群体需求。人工辅助心脏成为了心脏供体不足下终末期心衰患者的最现实的治疗方案。
人工辅助心脏是指使用机械或生物机械手段部分或完全替代自然心脏建立并维持人体血液动力学循环的辅助装置。但对于这一名称,韩志富纠正到:“人工心脏,其实是一个误传。”
人工心脏的英文缩写为LVAD,其正式翻译名为左心室辅助装置,而在引入国内时为利于传播简化为了人工心脏。从正式译名可以看出,左心室和辅助是该器械的关键。
虽然人工心脏适应症单一,但庞大的患者人群、沉重的社会与经济负担,使得这个市场容量不可小觑。用韩志富的话来说:“这就是一个百亿级别的小赛道。”
开发人工辅助心脏所涉专业横跨系统工程、电机与电磁、电机控制与驱动、流体机械、生物工程、精密加工、质量管理等多学科门类,对学科技术储备的完整性及工程转换经验的丰富性有着极高要求。
为打破海外企业的垄断,中国运载火箭技术研究院北京精密机电控制设备研究所组建工学团队,联合天津泰达国际心血管病医院以刘晓程院长为代表的医学团队,践行医工结合、军民融合的发展路径,研发国产人工心脏,2016年航天泰心落地天津经济技术开发区。
世界一流水平的生物相容性
人工辅助心脏将直接植入人体胸腔,与最重要的器官心脏紧密相连。而生物相容性是人工辅助心脏至关重要的考量因素,它直接关系到人工心脏的安全性和有效性。如果生物相容性不佳,则可能给患者带来溶血、血栓形成等并发症,危害患者健康——这也是人工心脏的重要技术难点。
首先,人工心脏在运作过程中既要保证供血量,同时还不能破坏红细胞。韩志富举了一个形象的比喻:“就像是水渠里漂浮的西红柿。在水渠中安装一个泵,既要推动水流前进,又不能把西红柿打破。”
为解决这一问题,航天泰心从材料选择、血液流动路径、表面结构等方面深入探索,在关键环节形成了自己的技术护城河。
经过无数次尝试与验证后,团队在2013年突破了血液相容性技术难关。整个植入人体血泵设备仅186克,直径在50毫米,厚度30毫米左右,无论是植入环节,还是后续使用都不会给患者带来过大的负担。
在2013年,植入“火箭心”的实验羊“天久”在动物实验中心健康存活120天,创下国内最长存活纪录等五项第一。2017年10月开展的批量实验更是显示,6只动物全部健康存活超过90天,最长存活180天,各脏器良好,这也说明生物相容性及血流动力指标均已达到临床应用水平。
除了安全性以外,人工心脏辅助的程度也大有讲究,要恰到好处。辅助力度不足,患者安装人工心脏后效果不佳;相反辅助力度过强,反而会剥夺患者心脏原本残存的做功能力,导致器官退废。
为了找到最适合患者的辅助流量,在患者植入人工心脏前,医护人员需要对每位患者进行诊断,根据个体数据调整人工心脏,让患者接受最恰当辅助治疗。
2022年,航天泰心研发的植入式左心室辅助系统HeartCon(“火箭心”)正式获批上市。这也是我国首款具有完全自主知识产权的采用磁液悬浮技术的植入式左心室辅助系统,其关键技术指标已达到国际同等水平。
而国产替代的实现,也大幅降低了成本,使得人工心脏的价格从十余万美元降至普通百姓能承受的范围。未来,随着应用规模的扩大,价格将会进一步降低,将会给更多心衰患者带来生命的希望!
15年,从向天寻月到研发“心脏”
回首“火箭心”的十五年,让韩志富最难忘的除了每一个关键技术攻克的瞬间,还有团队的一次次磨合。
在2009年决定要做人工辅助心脏时,团队心里其实都没底:“别说懂人工心脏了,就连看得懂生物学的都没有。”虽然团队成员都是工科领域的专家,不少人还参与了多个型号火箭的研发与制造,但在医疗领域却都一窍不通。泰达国际心血管病医院的医生们补上了这个短板。
对于工业产品而言,保证功能可行性便是最大的要求。而和临床相结合后,产品的形态也变得格外重要。
另外,人体不是机械。传统器械中,零件坏掉可以随时修补、更换,而产品植入人体内则要尽可能长期使用,减少对患者二次伤害。
医工合作间的种种彻底颠覆了传统工科团队的认知。医与工之间并非甲乙双方的关系,而是合作关系,双方之间除了配合更重要的是交流。在这15年间,团队双方相互学习,形成了默契的研发氛围。以此为前提,“火箭心”才得以诞生。
目前,航天泰心团队正在研发第二代“火箭心”,正在注册检验阶段。据韩志富透露,第二代“火箭心”在技术上会再度升级,为广大心衰患者提供更安全可靠、更科学的国产人工辅助心脏产品。
未来航天泰心还将持续践行初心,牢记使命,继续深耕人工辅助心脏领域,为更多心衰患者提供新的治疗方案。