在 1970 年代後期，美國電視觀眾被一部名為《六百萬美元的人》的每週劇集所吸引，該劇由李·梅傑斯飾演秘密特工史蒂夫·奧斯汀。 奧斯汀是一個電子人，一個從瀕死狀態中被救活並經過生物工程改造後，在力量、速度和視力方面都超乎常人的人。 在該系列劇的五年播出期間，奧斯汀作為仿生人進入了大眾的語言。
自 1960 年代以來，技術樂觀主義的時代一直在積聚勢頭，這在很大程度上是由於太空計劃的巨大成功。 人們越來越相信，美國的科學創造力幾乎可以設計出任何東西——包括人體。 事實上，在宇航員開始飛入太空的同時，政府也將目光投向了生物工程的最高目標：永久性的人工機械心臟替代品。
快進到 1988 年 5 月，《紐約時報》將整個人工心臟的概念斥為醫療技術的吸血鬼，一個自負的 2.4 億美元的浪費。 該報的社論員簡明扼要地評論道：建立可植入人工心臟的聯邦專案已經死了。
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發生了什麼？ 人工心臟的偉大生物工程希望如何在短短十年內變成如此的諷刺？
這個問題有一個長答案和一個短答案。 長答案很複雜，涵蓋了從材料到電池到電機和微處理器，以及大量的營銷心理學等幾個方面的基礎科學和技術。 《泰晤士報》可能過早地登出了整個企業，許多人認為這個企業今天比以往任何時候都更有希望。 然而，剖析早期的挫折為最近的進展和進一步的挑戰提供了一個有用的視角。
短答案是巴尼·克拉克。
克拉克是一位西雅圖牙醫，他於 1982 年成為第一個永久性機械心臟的接受者。 永久性有點可怕的用詞不當，因為克拉克只活了 112 天。 更重要的是，對於這位 61 歲的老人來說，這是 112 個悲慘的日子，他從未離開過醫院，並且一直被拴在為他嘈雜的新心臟供電的冰箱大小的壓縮機上。 他遭受了抽搐、認知問題和腎功能衰竭，然後死於多器官衰竭。
讓克拉克活了幾個月的機械心臟是所謂的 Jarvik-7，以其發明者羅伯特·賈維克的名字命名。 全國人民都在密切關注著克拉克的進展，每日新聞釋出會推動了這一進展，但隨著病人的病情惡化，新聞釋出會很快變成了同情和失望。 這個案例對 Jarvik-7 來說是一場公共關係災難。 克拉克使用新心臟的生活質量如此之差，以至於公眾輿論在十年間對這個想法感到不滿。 在接下來的幾年裡，又有四名患者接受了永久性的 Jarvik-7 心臟，其中一名威廉·施羅德甚至存活了 620 天，但對夢想的破壞已經造成。 1990 年，美國食品和藥物管理局撤銷了製造更多 Jarvik-7 心臟的許可。
當然，事後諸葛亮地評論四分之一個世紀前的決定很容易，但今天許多心臟病專家認為，考慮到當時的知識水平，植入 Jarvik-7 是一個錯誤，為時過早。 夢想家們被天然器官設計的簡單性所誘惑——它實際上只是一個四腔泵——並且對其動態複雜性有些天真。 美國心臟病學會副主席阿爾弗雷德·博夫說：上帝賦予的心臟是一個動態平衡、經過微調的器官，具有產生力量、提高和降低脈搏的能力。 在人工心臟中不可能獲得這種能力。
但是，可以近似地實現它。 如果沒有其他的話，Jarvik-7 的實驗表明，基本概念沒有缺陷：它們證明了人們可以在由塑膠和金屬製成的心臟狀物體中存活很長時間。 當時，這一演示本身就是一個巨大的進步，對於每年死於心力衰竭的 50,000 多名美國人來說，這是一個非常好的訊息，其中一些人在等待可用於移植的 2,200 個捐獻心臟之一。 自 1980 年代中期以來所做的所有工作都是為了找出 Jarvik-7 的問題並加以解決。
當聯邦政府開始追求人工心臟時，羅伯特·孔還是一名年輕的物理化學研究生。 1948 年開始的弗雷明漢（馬薩諸塞州）心臟研究正在產生關於美國人心臟病和死亡率高的早期結果，心臟病專家們意識到他們對這種致命疾病的預防或治療知之甚少。 因此，從某種意義上說，政府對機械心臟的追求是受當時醫療不足的啟發。
全功能人工心臟的早期目標日期是 1972 年——孔說這是一個過於樂觀的期望，他的一生都在開發一種新的、改進的機械心臟。 他是 Abiomed 的首席科學官，這是一家總部位於馬薩諸塞州丹弗斯的公司，專門為解決 Jarvik-7 實驗中明視訊記憶體在的許多問題而建立的。 他說，儘管將火箭送上月球似乎是一項更偉大的壯舉，但實際上要簡單得多，因為可以使用數學和物理定律準確預測速度和軌跡。 機械心臟與人體組織和血液之間的介面更加複雜和不穩定，涉及血流模式、凝血劑以及一群免疫哨兵和士兵防禦感染的微妙相互作用。 心臟跳動，但它不像鐘錶一樣。
一代人以前對這種動態的理解很差，導致了無法克服的問題。 Jarvik-7 接受者的生存面臨的最大威脅是中風和感染。 孔在設計 Jarvik-7 的繼任者 AbioCor 時，在過去三十年的大部分時間裡都專注於這兩個問題。 CardioWest 的設計者，這是 Jarvik-7 的一個迭代版本，僅用作移植的橋樑，也一直在以不同的方式解決這些問題。 以下是對吸取的教訓的總結。
血液想要流動
壽命最長的 Jarvik-7 接受者威廉·施羅德死於中風。 這是早期全心置換中最常見的風險之一：血細胞碎片會粘在機械裝置上，然後脫落，導致可能危及生命的血栓。
當時的部分問題是，醫學科學家根本不太瞭解血流的物理學和迴圈血小板的行為。 正如孔所說，血液想要流動。 它希望一直處於運動狀態。 當它的運動過於遲緩時，它就會凝結。 另一方面，如果它移動得太快，細胞會被剪下和破壞，產生碎屑，這些碎屑會堆積在動脈中並導致阻塞。
Jarvik-7 有幾個致命的凝血問題，隨後的研究似乎已經解決了這些問題。 首先，用於製造 Jarvik-7 的材料太粗糙； 它們有劃痕和溝壑，允許血細胞附著，然後分裂並導致問題。 AbioCor 由鈦和一種名為 Angioflex 的聚氨酯混合物製成，後者是透過一種秘密工藝生產的，Abiomed 聲稱這種工藝使其非常純淨和光滑，不易凝結。
更重要的是，Jarvik-7 由一個大型笨拙的氣動泵提供動力，當它強迫血液透過機械腔室時，實際上會震動心臟接受者的身體。 巴尼·克拉克的 112 天一定非常不愉快，他的身體不斷地被一臺嘎嘎作響的機器推搡。 這種粗糙的泵已經被一個微型電機驅動的液壓泵所取代，該泵更接近於天然心臟和迴圈系統的持續血流。 旋轉電機每天將液壓油從 AbioCor 的一個心室推到另一個心室，來回 100,000 次，緩慢而穩定地將血液泵入肺部和身體。 微型電子控制器根據需要調整流量水平，保持血液流動順暢，無論患者是睡覺、坐著還是散步。
AbioCor 在 2001 年至 2004 年間進行了臨床試驗，在此期間有 14 名重病患者接受了該裝置。 所有人都死了，但重要的是要知道這些人是病得最重的病人，如果根本沒有干預，他們只能活幾個星期。 有些人死於中風，但平均存活時間超過四個月，比試驗前的預期壽命增加了三倍多。 其中一個，肯塔基州輪胎經銷商湯姆·克里斯特森，存活了 17 個月，實際上在家裡與家人一起生活了最後 9 個月。 孔說，大多數凝血問題都與將機械心臟連線到人體迴圈系統的袖帶有關。 袖帶經過重新設計以消除凝血。
早期機械心臟試驗中的另一個主要殺手是感染。 當然，所有重大手術都帶有感染風險，而安裝人工心臟是一項漫長而複雜的手術。 但困擾 Jarvik-7 接受者的大多數感染都是後來由於其設計造成的。 冰箱大小的氣動泵透過軟管為機械心臟供電，這些軟管必須穿過皮膚上的永久性切口。 這些開放的切口很容易受到感染，事實上，屍檢顯示接受者死後體內有大量的細菌生長。
CardioWest 仍然存在感染問題，因為它像它的祖先一樣是透過大型氣動管在外部供電的。 然而，透過用聚酯纖維覆蓋管子，感染的風險已經降低。 接受者的組織與纖維表面纏繞在一起，形成緊密的配合，可以至少將一些細菌拒之門外。 儘管如此，在 CardioWest 心臟的大型臨床試驗中，超過 70% 的患者確實感染了。
對抗感染
AbioCor 更巧妙地解決了感染問題。 AbioCor 沒有使用氣動泵，而是使用電力，來自標準插座、外部電池或微型內部電池。 但心臟的所謂經皮能量傳輸系統 (TET) 並沒有刺穿皮膚，而是以電磁波的形式將能量穿過皮膚，從外部線圈傳輸到電磁耦合的內部線圈，從而為心臟供電併為內部電池充電。 消除了對刺穿皮膚的管子的需要，大大減少了感染引起的併發症。 事實上，根據孔的說法，臨床試驗中的 14 名患者中沒有一人死於裝置相關的感染。
TET 動力系統還有一個額外的好處：提高了生活質量。患者可以在睡覺或坐著時為心臟的外部電池充電，並且在兩次充電之間，可以帶著一個小腰包自由活動幾個小時。更重要的是，內部電池可以為心臟供電約一個小時，讓患者可以在沒有任何外部連線的情況下淋浴等。這些可能聽起來是小事，但與克拉克和其他 Jarvik-7 接受者受限的嚴重生活相比，這是一個巨大的進步。
如果沒有 20 世紀 80 年代初根本不存在的某些技術，TET 動力系統是不可能實現的。例如，該系統需要高容量鋰離子電池，這種電池現在在行動式電子產品中無處不在，但在 20 世紀 90 年代之前沒有商業銷售。TET 系統還使用非常小的微處理器來調節能量流動。總的來說，電子產品的微型化現在使得這一關鍵的設計元素成為可能。
儘管在小型化方面取得了這些進展，但 AbioCor 仍然遠非小型。這個重達兩磅、柚子大小的裝置比典型的人類心臟大兩倍多。這意味著它對於所有兒童、大多數女性，甚至一些成年男性來說都太大了。Abiomed 的科學家目前正在研究一種名為 AbioCor II 的設計，它將縮小 30%——小到甚至適合一些兒童使用。
關於 AbioCor 和類似裝置可以承受多少磨損的問題仍然存在。沒有機械裝置可以永久使用，並且有理由期望其中一些部件會磨損。心臟病專家羅伯特·道林在臨床試驗期間在《胸心血管外科雜誌》上撰文，估計液壓膜（膨脹到心室使其泵血的部分）的壽命為一年或更長。根據道林的說法，實際的泵和開關閥（心臟中唯一真正移動的部件）可以持續三到五年。但事實是，沒有人能確定。目前已知的是，一個 AbioCor 心臟在克里斯特森的胸腔內跳動了 17 個月而沒有發生故障。
心臟衰竭的發生率正在上升，部分原因是嬰兒潮一代的老齡化。全國可用於移植的人類心臟供應量似乎停留在 2200 顆左右——甚至不到需要心臟移植的心力衰竭患者的 5%。最重要的是，對於某些患者來說，永久性的人工心臟確實意味著生死攸關。去年秋天，在 AbioCor 的臨床試驗之後，美國食品藥品監督管理局 (FDA) 根據特殊的人道主義規則批准了這種人工心臟的上市。這種類別的批准保留給那些已被證明有益的裝置和藥物，儘管只適用於極少數患者——每年不超過 4,000 人。湯姆·克里斯特森有資格獲得批准。對他來說，這 17 個月的緩解意味著他親眼見證了曾孫女艾倫的出生。