成功移植猪心脏!还有人工心脏、3D打印心脏…人类赛博朋克的时代来临!

2022
01/14

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姜阿敏 / 健康界
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人类赛博朋克的时代来临!

近期一则医学新闻冲上热搜,引起了广泛讨论。消息称,1月7日,美国马里兰大学医学院成功将一颗经过基因编辑的猪心脏,移植到一名57岁男子的体内,这是医学史上首个动物心脏移植成功的案例。移植前,这头猪的年龄约 1 岁,重量约 90 kg,它经过基因改造,以使猪心耐受人体免疫系统。截至1月10日,该男子术后恢复状况良好。

笔者观察到,在此消息的评论区里,网友们除了表示震惊,还有很多人则是为医学的进步而欢呼,认为此项技术能够解决目前供体器官短缺的问题,造福全人类。

事实上,这并不是人类第一次移植动物器官,作为异种器官移植的最佳选择对象,猪已经为人类牺牲太多。目前,猪心脏瓣膜、猪胰腺细胞都已成功进入人体,猪皮也被用作烧伤患者的临时移植物。前面这位57岁的患者,在约 10 年前就植入了猪心脏瓣膜。

在此次移植前一天,面对着巨大的风险和不确定,这位终末期心衰患者没有犹豫:“我知道这很有风险,但这是我最后的选择”。他说,“要么死亡,要么移植。我想活下去。”

患者(右)与医疗团队合影

作为人体的泵器官,我们的心脏每分钟会跳动60~100次,每天会跳动约10万次。一次跳动可以泵出70ml左右的血液流过全身,为我们的器官和组织提供充足的血流量,以供应氧气和各种营养物质,并带走代谢废物,使细胞维持正常的代谢和功能。

动图:心脏跳动模拟丨网络综合

而心衰俗称“心脏病里的癌症”,是各种心脏疾病发展的终末阶段,几乎所有的心血管疾病最终都会导致心力衰竭的发生,其5年存活率与癌症相仿。到了终末期心衰,积重难返,现有药物和医疗器械已难以逆转病程,器官移植是最好的治疗方法。

然而根据美国器官共享联合网络(UNOS)统计,2021年,约有41354名美国人接受器官移植,其中有3,800多例属心脏移植。20:1——这是全球急需器官移植的患者数量与所捐献器官数量的比值。“20”还不包括那些靠药物维持日子、但终究需要移植的患者们。根据美国政府数据,每天约有17人在等待中离世。巨大的供需不平衡,成为了阻碍这类患者恢复健康的关键。

再则,对于心脏、肺脏、胰脏这类器官,一场成功的移植手术意味着一位患者的新生,同时也意味着另一位捐献者的离去。从人道主义角度来看,这并不是多么值得开心的事情。

那么,我们可不可以用其他能够泵血的东西,来代替心衰患者自身奄奄一息的心脏?于是,全世界的科学家们各显神通,兵分多路,融合医学、免疫学、生物工程学,乃至材料学、电机学、流体力学等多学科知识,发明出异体器官移植、人工心脏、心脏3D打印等技术,为心脏病患者,尤其是重症心衰患者开辟一条新出路。

下面,笔者将简要概述异体器官移植、人工心脏、心脏3D打印的技术原理以及当前进展。

异体器官移植

异体器官移植,就是使用动物器官来替换病变的人体器官,从而维持人体的正常生命活动。本文开头这例猪心脏移植,就属于异体器官移植。在众多动物中,猪由于与人体器官大小相似、部分生理生化指标相似等因素而胜出,成为目前最适合作为人类异体器官移植供体的动物。

供体猪丨CC情报局

当然,猪也不是完美的供体,想要把猪器官移植给人,还需要解决两大难点。

首先是猪病毒问题。在猪细胞内嵌有逆转录病毒,有传染风险。异种病毒传播最典型的例子就是艾滋病病毒,从灵长类动物传播到人类,至今没有彻底有效的治疗和清除办法。针对猪病毒难题,2015年,中国科学家杨璐菡和她的博士生导师首创利用基因编辑技术,敲除猪基因组中的病毒基因,培育出“猪1.0”,扫清了异种移植的一大障碍。

第二,是免疫排斥问题。这个问题同样可以通过基因编辑的办法,来定点清除可能引起免疫排斥反应的基因。2020年,杨璐菡归国后创立杭州启函生物公司,并领衔团队改造出“猪3.0”,成功解决了去除内源性逆转录病毒和增强异种器官免疫相容性两大异种移植安全性难题。据悉,在这场猪心脏移植手术中,供体猪即为“猪3.0”技术改造。它有4个基因被敲除或失活,以降低排斥反应、抑制猪心在人体中继续生长,另有6个人体基因被插入猪基因组,以使猪心耐受人体免疫系统。

杨璐菡在实验室丨网络综合

人工心脏

2021年9月21日,美国UofL Health-Jewish医院和路易斯维尔大学的心胸外科团队宣布,对一名女性患者进行了世界上首例“Aeson 生物假体全人工心脏植入术”。这个被命名为Aeson的生物假体装置旨在通过生物材料和传感器模仿心脏的工作,从而在数年之内取代真正的心脏。相关报道健康界临床前线在2021年曾有详述,感兴趣的朋友可点击《新型人造心脏登上历史舞台,开启心脏移植新纪元》来阅读。

相比于发展尚为有限的全人工心脏,在媒体报道中的人工心脏常常是指左心室辅助装置(LVAD),它的使用更为广泛,国外每年有几千例人工心脏植入,国内植入人工心脏的也有近百人。笔者曾在2021年采访过一位移植了人工心脏的脱口秀演员王洋洋@单口喜剧王十七,他告诉笔者,由于扩张性心肌病引起了重度心衰,导致他的腹腔、肝肾充满了水,常常感到胸闷憋气,甚至窒息。在沈阳某医院被宣判死刑的他,坐着120救护车被拉到中国医学科学院阜外医院后,成功移植了一颗国产人工心脏。一个拳头大小的、钛合金材质的机械泵,被安在他的心尖,用来代替左心室向全身泵血——在整个心脏的构成中,左心室是向全身泵血的主要动力源。

左心室辅助装置放置示意图丨人物

手术成功后的王洋洋,除了需要终生24小时揣着外接控制器,基本恢复了正常生活。不仅如此,他还走上了脱口秀舞台,以幽默的语言向大众传递人工心脏的好消息,将重获新生后的希望带给更多的心衰患者。

脱口秀表演时介绍人工心脏的王洋洋丨人物

心脏3D打印

2019年4月,以色列的科学家们成功用3D打印出一颗“人造心脏”,这是人类首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的心脏。虽然这颗心脏里的细胞可以出现收缩,但不能像正常心脏一样搏动泵血。2020年7月,来自美国明尼苏达大学的研究人员首次利用3D打印技术,打印出能够正常跳动的心脏泵。

心脏3D打印示意图丨CCI心血管医生创新俱乐部

在这项研究中,科学家们解决了长期困扰的细胞密度问题,优化了由细胞外基质蛋白制成的专用生物墨水,将生物墨水与人类干细胞结合,并使用生物墨水加细胞来3D打印了心室结构。干细胞首先在结构中被扩展到高细胞密度,然后将它们分化成心肌细胞,最终使细胞能够像人类心脏一样一起跳动。这项发现可能对研究心脏病产生革命性的影响,相关论文发表在由美国心脏协会出版的《循环研究》(Circulation Research)杂志的封面上。

十九世纪末,外科学进入发展的第一个黄金时期。柳叶刀(此处特指一种手术刀)已经深入人体的四肢、腹腔甚至大脑,但心脏仍是外科手术的禁区。奥地利医生比尔罗特甚至断言:任何一个尝试在心脏做手术的行为都是对外科艺术的亵渎。试图在心脏上做手术的人,必将会落到一个可耻的下场。直到20世纪的40年代末和50年代初,心脏外科医生才开始尝试心脏外表的一些手术。

胡盛寿:心脏外科的发展简史丨《手术两百年》之医学大家访谈录

21世纪的今天,伴随着体外循环技术、现代影像学技术以及现代麻醉学技术等的发展,心脏手术不再是柳叶刀的禁区。融合多学科知识,利用基因编辑技术打造的猪心,利用合金打造的人工心脏,也已经成功在人体内跳动。

人工心脏移植的受益者王洋洋对未来充满了信心,他告诉笔者:心脏移植技术其实已经很先进,未来顶多也就是缝合得更好,对患者自身心脏的替代效率更高,而机器是可以精益求精的。在不久的将来,人工心脏甚至可以与AI(人工智能)结合,与大脑连接,提前预判主人的下一步动作,然后调节供血量,以达到最佳匹配度。对自己的心功能不满意的人,甚至可以像迭代游戏装备一样,植入性能更好的人工心脏,提升自己的身体素质。“这将是一个非常赛博朋克的场景。”王洋洋说。


参考资料

1. 临床前线:《新型人造心脏登上历史舞台,开启心脏移植新纪元》

2. 《手术两百年》之医学大家访谈录——胡盛寿:心脏外科的发展简史

3. CCI心血管医生创新俱乐部:《【CCI创新周讯】3D打印会跳动的人工心脏已经梦想成真》

4. CC情报局:《华人女科学家改造“器官移植安全猪“:猪肾脏将首次移植到人类体内?》

5. 人物:《没有心跳的人》

6. University of Maryland School of Medicine Faculty Scientists and Clinicians Perform Historic First Successful Transplant of Porcine Heart into Adult Human with End-Stage Heart Disease. Universty of Maryland School Of Medicine

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关键词:
器官移植,人工心脏

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