科学者が人工心臓の開発にまだ取り組んでいる理由

この記事は、Sian E. Harding の著書「 The Exquisite Machine: The New Science of the Heart 」からの抜粋です。もともとは The MIT Press Reader に掲載されていました。

心臓の完璧な設計を最もよく示すのは、我々が心臓を模倣しようとして失敗したことだろう。完全人工心臓の歴史は、素晴らしい革新と絶え間ない臨床的失敗の両方で彩られている。1962年、ジョン・F・ケネディは科学界に、10年以内に人類を月に着陸させ、無事に地球に帰還させるよう要求した。1964年、心臓血管外科医のマイケル・デベーキーは、リンドン・B・ジョンソン大統領を説得して、初の機能的な自己完結型人工心臓の開発プログラムに資金を提供し、月面着陸前に人工心臓を成功させる競争を開始した。 1969 年には、テキサス心臓研究所がアポロ 11 号の打ち上げのわずか 3 か月前に初の完全人工心臓を移植したことで、両方の目的が達成されたようです。しかし、月面着陸によってスペース シャトル、火星探査車、国際宇宙ステーションが誕生し、（長い休止期間があったにもかかわらず）火星に行くための月面基地を開発するという最新の目的が達成された一方で、信頼性の高い市販の完全人工心臓はまだ手の届かないところにあります。

当初、人工心臓は機能不全の臓器の生涯にわたる代替品となることを目指していました。最初の設計では、患者の皮膚を通して空気ラインを備えた外部コンプレッサーが使用されていたため、これは達成するのが難しいハードルでした。圧縮空気がダクロン製のポーチまたは袋を膨らませたり縮めたりし、袋が収縮したり拡張したりして周囲の袋から血液を押しのけます。コンプレッサーを体外に配置することは便利ですが、機械部品 (最も摩耗しやすい) は簡単に交換できるため、患者と一緒に持ち運ぶにはかさばる装置になります。これを患者に与えて、何年も部分的にでも正常な生活を送ることを期待するのは困難でした。

しかし、人工心臓の歴史は心臓移植の歴史とも絡み合っています。これもまた 1960 年代初頭には希望に満ちた夢でしかありませんでしたが、1967 年までにケープタウンの心臓外科医クリスチャン バーナードが最初の移植手術を成功させました。ここで、これらの最初の人工心臓の目的は変更されました。それらは生涯にわたって使用できる必要はなく、移植ドナーが見つかるまで患者を生き続けさせることが目的でした。多くの高度に実験的な治療法と同様に、最初の症例は選択肢がなくなった患者に対して行われました。47 歳の男性が、心臓壁を薄くし腫れさせた左心室の巨大な動脈瘤を修復する手術を受けていました。彼は心臓を迂回して血液を体中に流し続ける人工心肺装置によって支えられていました。しかし、彼の心臓は弱すぎたため、手術の最後には装置から彼を引き離すことができませんでした。彼は移植を切実に必要としていました。デベーキー氏の同僚デントン・クーリー氏は、彼に新しい実験的な完全人工心臓を勧め、彼はそれを受け入れた。患者は、適合するドナーの心臓が見つかるまで 64 時間、新しい装置で安定した状態を保った後、移植を受けた。

これは最初は完全人工心臓の勝利と思われたが、悲劇的に患者は32時間後に敗血症で死亡した。それだけでなく、装置は血液と腎臓の両方にダメージを与え、拡張可能な袋の壁は血栓で覆われていた。これは、この手順に取り組む科学者や技術者を阻み続ける一連の問題の先駆けとなった。感染症と敗血症は、皮膚を恒久的に横切るワイヤーがある装置にとって絶え間ない課題である。血液を移動させる装置は血液の組成を変え、異物表面は血液凝固を引き起こし、脳卒中や血液破壊を引き起こす。次の反復の1つである最初のジャービック心臓は、5人の患者に埋め込まれ、1人が620日間生存した。しかし、患者のうち2人が重度の脳卒中になり、最終的に全員が敗血症または血液の問題で死亡した。

心臓移植も不安定なスタートを切った。バーナードの最初の患者はわずか 18 日で死亡した。英国で最初の患者は、ロンドンの国立心臓病院の心臓胸部外科医ドナルド ロスによって移植手術を受けたが、生存期間はわずか 45 日で、全体的な成功率も期待外れだった。ここでの問題は、手術の仕組みや新しい心臓の初期機能ではなく、移植患者の免疫系とドナー心臓の免疫系の不一致だった。ドナー心臓は主要な組織型が患者に可能な限り適合しているが、心臓の拒絶反応を防ぐために免疫系を抑制する必要がある。免疫系を抑制する薬剤は初期の頃はあまり洗練されていなかったが、1980 年代初頭のシクロスポリンの開発により免疫抑制に革命が起こり、心臓移植の成功率が劇的に向上した。現在、移植は成功の犠牲者となっており、移植を必要とする人の数はドナーの数よりはるかに多い。英国では、心不全患者が75万人以上いるにもかかわらず、移植手術は年間約200件しか行われておらず、世界中で同様の数字が見られる。このギャップを埋めるために、科学者たちは豚の遺伝子を改変して、豚の心臓を人間の免疫システムに適合させ、拒絶反応なく患者に移植できるようにしている。これは非常に複雑で困難であることが判明したが、最初の臨床移植は2022年に開始された。

しかし、心臓移植の成功により、ドナーが見つかるまで患者を生かし続ける、いわゆる「移植までの架け橋」という、より実現可能な目標を掲げた完全人工心臓の探求が再燃した。数十年にわたり、人工心臓技術は、生体適合性の向上した材料、より優れた弁の設計、より効率的な血流処理などへの変更を通じて改善されてきた。成果は達成されており、ある研究では、人工心臓を装着した患者の 80 パーセントが 1 年以上生存し、中には 6 年間生存した患者もいる。移植まで患者がサポートされた最長期間は 1,373 日であった。しかし、重篤な感染性合併症は依然として一般的であり、人工心臓の完全な「最終」治療という目標は依然として遠い夢であった。

一方、移植への橋渡しが緊急に必要だったため、テクノロジーは別の方向に進んでいた。機能不全の心臓を完全に置き換えるのではなく、血流を補助することで心臓をサポートするというアイデアだった。心室補助装置（VAD）は、まったく別の経路で心室から血液を取り出し、高圧で大動脈に送り込む。これにより心臓から送り出される血液量が増加し、有効心拍出量が増大した。また、完全人工心臓のエンジニアが直面したもう1つの問題、つまり右心室と左心室の血流のバランスをとる方法も解決した。左心室/体ループを循環する血液量は、右心室/肺ループの血液量に非常に近くなければならない。1日に10万回の心拍動を考えると、1拍あたりの小さじ1杯の差でも、間違った場所に500リットルの血液が流れ込むことになる。心臓は、このようなことが起こらないように複雑な生物学的メカニズムを発達させてきましたが、エンジニアたちはフィードバック システムで同じことを行おうと大変な苦労をしていました。VAD の場合、右心室 (またはより一般的には左心室) のいずれかを独立してサポートできるため、この問題は発生しません。

左心室補助装置（LVAD）は、末期心不全の治療に革命をもたらしました。現在、世界中で 15,000 台を超える LVAD が埋め込まれており、末期心不全患者の約 3 分の 1 が LVAD でサポートされています。通常、その目的は患者を移植までつなぎますが、実際にはドナー心臓が不足しているため、患者は何年も LVAD サポートを受け続けることがよくあります。7 年後の生存率は 50 % を超えており、これらの装置を使用して 13 年まで生存した患者の報告もあります。したがって、LVAD はデフォルトでそれ自体が治療法になっています。ここでも技術が進歩し、新しい LVAD はより優れた性能を発揮しています。画期的なアイデアは、脈動する心臓を模倣するのをやめて、血液を一定に流すというものでした。回転するパドル（インペラ）が血液を連続的に押し出し、滑らかで途切れない流れを作り出します。これには、患者の脈拍がなくなるという奇妙な副作用があり、何も知らない医師を当惑させるだけでなく、体が新しい血流に適応する際に望ましくない副作用を引き起こす可能性があります。外部バッテリー パックは依然として不便で感染源ですが、誘導 (家庭用電磁調理器など) に基づいて経皮的に (皮膚を介して) エネルギーを伝達するシステムが開発されています。LVAD ユニットには、一時的なデバイス障害に備えて、小型の埋め込み型バッテリーが必要です。また、外部バッテリー パックがハンドバッグ泥棒に患者から奪われたことが知られています。

完全に埋め込み可能な全人工心臓の探求は続いている。心臓の要求に完全に応えられる外部経皮ユニットの開発が最大の障壁である。全人工心臓の仕様では、血圧 110 mmHg で毎分 8 リットルの血液を送り出すことが求められている。(生体エネルギー貯蔵分子であるアデノシン三リン酸 [ATP] が細胞内で継続的に更新されない場合、心臓にこれだけの電力を供給するには、1 日に体重の半分を超える量の ATP が必要となる。) コンプレッサーはより持ち運びしやすいように小型化されているが、完全に埋め込み可能なものにするのは困難であった。この点では、コンプレッサーをまったく使用せず、代わりにインペラー装置を使用し、左右のデュアル VAD を連動させる VAD 技術が解決策となる可能性があると思われる。

解決法は驚くほど近いように思えるが、誰も楽な道のりを期待しているわけではない。長年にわたる多くの失敗は、科学者たちに心臓の自然な工学に対する謙虚さと畏敬の念を植え付けたに違いない。

シアン・E・ハーディングは、インペリアル・カレッジ・ロンドンの国立心肺研究所の心臓薬理学の名誉教授であり、同研究所で心臓血管科学部門と BHF 心臓再生センターを率いていました。彼女は「The Exquisite Machine」の著者であり、この記事はそこから抜粋したものです。