CCI创新周讯| BEAT—为终末期心衰而生的新型心脏辅助系统

2021
06/24

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CCI心血管医生创新俱乐部
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上回书,我们介绍了ReDS™可穿戴肺水测量仪在心衰管理中起到的关键作用,强调了早发现,早干预在心衰管理和治疗中的重要意义。那么对于那些已处于终末期心衰患者,除了肺水的检测之外,能够显著改善心脏泵功能,甚至说进行心脏替代,便成了改善患者生存质量,提高生存率的重中之重。现恰有一款专门针对终末期心衰设计的辅助装置,具体有何,且听我这回慢慢道来。


01

心力衰竭带来极其沉重的社会负担

心力衰竭(HF)是一种全球性的流行病,目前全球流行约64.34亿例,相当于9.91亿疾病调整生命年(YLDS)-由于疾病和死亡而丧失的全部功能的一个衡量标准。虽然不一定代表世界其他地区的经济负担,美国心脏协会(AHA)估计每例心衰患者的经济负担为5380美元(34425元人民币)。这显然也影射了心衰疾病对全球带来的重大经济负担[<lippisanchisgomar2020>]。


心衰的病例每年都在增加。除了由于人口老龄化和中低收入国家的人口而导致发病率上升外,这一趋势的主要驱动力是所谓的心衰悖论:由于医学上的成功,心肌梗死(心脏病发作)的死亡率不断降低,并取得了目前96%的住院存活率的巨大进步。尽管这大大降低了早期死亡率,但是许多心肌梗死幸存者在接下来的6-12个月内会发展成心力衰竭,导致世界范围内出现心力衰竭大流行。世界范围内心力衰竭的现状如图1所示。


 

图1:全球筛选国家的心力衰竭发病率和患病率。尽管在心衰预防和治疗方面取得了重大进展,但人们的发病率和死亡率仍然很高,生活质量也很差。在心衰患者中观察到的不同病因和临床特征,导致了图中患病率、 发病率、死亡率显示出的地理差异。[<savareselund2017>]


02

终末期心力衰竭的进展概述

心衰通常分为四个阶段(如图2所示)。且每个阶段的具体最先进的治疗方法已分别建立。其中针对终末期心衰患者,生活方式的改善、药物治疗或传统意义上的器械辅助治疗已为患者维持较高质量的生活。心脏移植或心室辅助装置成为终末期心衰患者的新希望。


 

图2:心力衰竭的四个阶段和最先进的治疗方法。


03

终末期心力衰竭的最新治疗方案

在终末期心力衰竭,患者有晚期症状却无法得到更好的有效治疗手段。在这个阶段,即使是通过起搏器或心脏再同步治疗(CRT)系统进行的电疗(具有额外的起搏器或除颤器功能)也不再有帮助。因此,唯一剩下的替代方法是心脏移植和长期心室辅助装置(VAD)。


金标准治疗方案是进行心脏移植(HTX),目前10年内存活率达到50%。而供体心脏不可用时的替代治疗方法是长期VAD,如图3所示。目前最先进的VAD是某种类型的血泵。最常植入的是左心室辅助装置(LVADs),它通过左心室壁抽吸血液并将其泵入主动脉,有效地改善左心室功能减弱导致的心衰。最先进的左心室辅助装置提供连续(非脉动)流量,帮助患者通常在2年内达到80%的存活率。终末期双心室功能衰竭的患者可采用全人工心脏(TAH)治疗。为了植入这些系统,心脏的心房水平,瓣膜平面以上须完全切除,然后用人工瓣膜将血液收集到两个人工心室中以控制血流方向,并分别泵入肺循环和体循环。


图3:两种主要类型的耐用VAD: LVAD(左)和TAH(右)


尽管各种研究表明,持久性VADs优于最佳医疗管理(OMM),但它仍与多种并发症有关。最严重的并发症与血液接触有关,例如血液颗粒与异物表面接触,并在泵送机制中承受高剪应力,其结果是形成血栓,从而导致卒中和泵血栓形成---血栓形成部分聚集在VAD的组成部分,最终导致身体系统故障。为了克服这些并发症,这些患者需要接受高剂量的抗凝治疗,进而导致显著的出血风险。由于全身抗凝,胃肠道出血和出血性中风也普遍存在。除此之外,其他严重并发症包括LVAD植入后的延迟性右心衰竭、由于皮肤交叉传动系统和VAD的强制性引起的设备相关感染。即当系统的技术故障无法立即解决时,患者很可能死亡。


LVAD植入1年内当前临床结果的代表性总结如图4所示。


 

图4:LVAD植入的代表性临床结果[<mcilvennanetal2014>]


在过去的3-5年中,VAD技术领域的两个市场领导者是雅培公司的Heartmate II和Heartmate 3系统,以及美敦力公司的HVAD系统。然而,在2021年6月,美敦力宣布将完全停止进一步HVAD的所有销售,理由是越来越多的临床观察比较表明:严重并发症的发生频率更高,以及技术上的困难难以克服。


04

治疗数差距

目前,在美国和欧洲,有超过50万人患有终末期心力衰竭,并将从MCS治疗中达到缓解衰弱和危及生命的终末期心力衰竭的目的。在中国,大概有同等数量的病人患有同样的疾病。


然而,全世界只进行了大约7000-8000次手术,主要集中在美国和欧洲。在中国,目前每年只有大约300例移植手术,病人的数量在近几年才逐渐增加。全世界每年植入VADs的数量与心脏移植的数量相近,近年来趋于平稳。显然,在接受MCS治疗的患者和接受所需治疗的患者的数量上存在着巨大的治疗数差距。


造成这一巨大治疗数差距的原因是多方面的。限制心脏移植的主要原因之一是缺乏供心、社会禁忌或法律程序[<leeoh2017>]。最广泛使用的耐用VAD形式是LVADs,占长期VAD市场的90%以上。VADs的广泛应用主要受到其复杂程度和相关成本的限制。2018年美国治疗12个月LVAD患者的代表性成本分析(如果患者存活)为230000美元,这包括侵入性植入术后长期入住ICU,以及87名患者并发症的平均治疗成本[<chungetal2018>]。


这些发现的含意是双重的。首先,转诊的心脏病专家在转诊心衰患者接受VAD治疗时受到限制,而不是为了增加患者被列入心脏移植名单的机会推迟治疗决定。其次,因为VAD治疗需要相关的大量资源,导致每年可进行的手术数量的受到预算限制。


05

新技术:血液泵技术

MCS的新技术为改善并发症做出了努力。其中包括:

  • 调整驱动机构,以保持低切血量和/或提供脉动流。

  • 使用专用表面,以改善血液相容性。

  • 实施无线能量传输以防止传动系统损坏。


尽管有这些创新的进步,这些技术仍难以扩展。原因是,为了防止这些并发症,无论是LVAD或TAH的血泵配置,直接接触血液的设备始终无法在成本和复杂性之间折衷。


06

为终末期心衰患者量身打造——

心室外机械式心脏循环支持系统

心室外MCS的概念是通过从心脏外表面(心外膜)挤压心脏来提供所需MCS,从而避免与血液接触。因此,它也完全避免了与VADs相关的血液接触并发症。过去,许多研究小组都曾尝试开发一种心室外MCS装置的工作原型,但成功率有限。这些障碍包括:

(1)针对急性碰撞患者,这些患者无论治疗方法如何,其病死率都很高;

(2)设备-组织界面不允许应用超过约4-7天;

(3)缺乏重要功能的技术特征和创新,包括心电图同步、解剖植入装置安装、便携式系统尺寸和耐用性。


BEAT系统是德国AdjuCor公司开发的新一代心室外MCS装置。BEAT系统由三个部分组成,如图5所示。


图5:BEAT由连接到便携式驱动装置(左)的植入物组成,治疗医生可以通过BEATview监视器(右)观察和调整该装置。


  • 植入物是一个心房外套管,带有气动气垫(致动器),通过充气和放气机械地帮助心脏跳动。供应线用于在驱动装置和电极之间交换压缩空气,并将心电图数据从心脏传输到驱动装置。

  • 便携式驱动装置负责产生压缩空气,解释心电图数据,并控制植入物气垫的充气/放气。它由患者直接携带在身体上,提供有关植入物性能的相关信息以及出现问题时的警报。驱动单元由可充电电池和/或电源连接器供电。

  • BEATview是一种在显示器(平板电脑)上实现的软件,可以读取历史节拍来自驱动单元的数据并实时监控性能数据。此外,它还用于更改驱动装置的设置,因此只能由主治医师使用。


除了将治疗目标转移到终末期心力衰竭患者之外,搏动系统的新技术和特点还产生以下功能:

(1)完全避免接触血液,

(2)提供单心室和/或双心室支持,通过在BEATview监护仪上分别调整左右心室的支撑,

(3)无需任何心脏吻合或缝合,即可进行微创植入,

(4)提供真正的搏动支撑,因为它与本地心脏ECG实时同步,

(5)是非强制性系统,也就是说,在不太可能发生技术故障的情况下,患者可能会因为缺乏支持而虚弱,但不会因血液静止而导致血栓形成而死亡,因为即使BEAT没有积极辅助心跳,心脏也会继续跳动。


AdjuCor已经取得了非常有希望的临床前结果。急性研究表明,血流动力学性能参数显著改善,如图5所示。结果表明BEAT系统能够为健康的猪提供心脏搏动支撑(健康的猪的心脏大小是目标终末期心力衰竭患者的0.3至0.5倍,心脏几何结构呈慢性扩张)。这意味着,临床上所能达到的心脏搏动水平预计将增加2-3倍。在慢性研究部分,在总共9只动物的20天、30天和60天研究中取得了良好的长期结果。这是一项重大成就,因为据我们所知,过去任何此类系统的最长报告生存期仅为7天。


 

图6:急性研究中选定的血液动力学参数的改善(n=8头长白猪),每增加一个心跳支撑水平,与基线相比增加%。基线是植入后的血流动力学状态。Stephan Schueler教授于2021年5月在美国胸外科医师协会(AATS)第101届年会上提出的数据。


07

BEAT应用前景展望

经临床前研究结果证实,BEAT系统的优点是,不仅可以显著降低植入手术的治疗成本,减少并发症,而且可以显著提高使用者的生活质量。


因此,它不仅为替代现有血泵治疗的治疗方法的进一步采用指明了道路,而且由于这些优势,未来BEAT系统可能有更多拓展应用领域。例如,相对简单的植入程序也可以在未来不仅由外科医生进行,还可以包括心脏团队中经过专门培训的介入心脏病专家---扩大用户池。简单的植入也使得非心脏移植中心的植入更加可行——扩大合格的中心。较低的预期低并发症情况也将使治疗更适合“病情较轻”的患者,例如III级心力衰竭(图2),目前存在的治疗差距-适应症的扩大,因此也符合患者群体的要求。


总之,与现有和即将推出的耐用VAD系统相比,BEAT系统具有显著的优势。考虑到服务不足的终末期心力衰竭患者的数量,心室外机械式心脏循环支持系统的功能是非常需要的,BEAT系统将对这些目标患者提供重大积极帮助。


参考文献 

[1] J. J. Chung, R. Stetson, J. Gordon, C. W. Chen, A. C. Gaffey, J. Eduardo Rame, M. Acker, and P. Atluri. Better with time: An economic assessment of long term mechanical circulatory support in a population surviving at least one year with a left ventricular assist device. Semin Thorac Cardiovasc Surg, 2018.

[2]H.-Y. Lee and B.-H. Oh. Heart transplantation in asia. Circulation Journal, 81 (5): 617–621, 2017.

[3]G. Lippi and F. Sanchis-Gomar. Global epidemiology and future trends of heart failure. AME Medical Journal, 5, 2020.

[4]C. K. McIlvennan, K. H. Magid, A. V. Ambardekar, J. S. Thompson, D. D. Matlock, and L. A. Allen. Clinical outcomes following continuous-flow left ventricular assist device: A systematic review. Circulation. Heart failure, 7: 1003–1013, 2014.

[5]G. Savarese and L. H. Lund. Global public health burden of heart failure. Cardiac Failure Review, 3 (1): 7–11, 2017.

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关键词:
辅助系统,心力衰竭,并发症,心衰,创新,心脏

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