心脏既然能长出来，就一定能被造出来 | 人工心脏背后的故事-凯发k8一触即发

撰文 | 李清晨

责编 | 刘睿

心脏遭遇外伤可以缝合修补，心脏生而畸形可以矫正重建，传导通路出故障了可以使用心脏起搏器，冠状动脉狭窄了可以搭桥、支架，瓣膜失去功能了可以进行瓣膜修复和置换，即便整个心脏彻底无从挽救了，还可以进行心脏移植……心脏外科似乎已经发展到了非常任性乃至肆无忌惮的地步，那么，这个领域的挑战已经到尽头了吗？

远远没有。

威廉•约翰•科尔夫与他的人工心脏（图源：犹他大学凯发k8一触即发官网）

理论上心脏移植似乎给终末期的心脏病人提供了一个一劳永逸的解决办法，但在现实世界里，所有的资源都是匮乏的，尤其是像人类心脏这么宝贵的资源，相较不断增多的心衰病人，显然是远远不够的，面对死神的从容收割，面对心脏移植的杯水车薪之困，人工心脏的想法自然会浮现并引起医学界有识之士的重视。

这一设想的思路是，用在解剖学上和生理学上能完全代替自然心脏的机械装置，来帮助这些病人度过等待供体的时间，甚至干脆将其永久地植入人体代行心脏功能。体外循环技术的从无到有，扫清了人工心脏这一设想的理论障碍，既然心脏是一个保障血液单向流动的肌肉泵，又有什么理由来怀疑人工心脏的可行性呢？不过，心脏毕竟是个极为复杂的器官，自然界花了千百万年才使心脏达到最佳状态，对人类而言，设计一个人工心脏，需要克服的技术难点多得超乎想象。整个过程乃是科学技术、生物工程方面的极大挑战，不可能仅靠个别人的努力，就使这一设想轻而易举地走向现实。大量科学家、医生、工程师都曾为此付出过长期艰辛的努力。

1979年，中国的体外循环先驱叶椿秀访美，在美国的犹他大学实验室中，威廉•约翰•科尔夫（willem johan kolff，1911—2009）知道叶椿秀曾在非常艰苦甚至是基本封闭的环境下研究人工辅助循环，也许是出于鼓励，他从裤袋里拿出一把极为普通、木工所用的瑞士军刀，在叶椿秀眼前晃了晃，一字一句地说：“我就是用这把刀制作第一个人工心脏的。”

科尔夫居然如此轻描淡写地讲述研制人工心脏的过程。不过，他更著名的一句话是：“心脏既然能长出来，就一定能被造出来。”好一个举重若轻。

那么人工心脏究竟是怎样被研制出来的呢？一切都要从科尔夫的经历谈起。

对于公众来说，人工心脏可能还是个比较陌生的概念，不过提到人工肾，也即人工血液透析装置，恐怕不知道的人就少之又少了。从某种意义上来说，这两项发明皆出自科尔夫之手，科尔夫的一生就是一个神话传奇。

生命，是整个宇宙中最为神奇的造物，生命存续的每一分钟都无比珍贵，在自然状态下，很多疾病都可以轻而易举地夺人性命，重要器官的衰竭一度被视为不治之症。有这样一个人，他在童年目睹了很多病人的死亡，于是幻想长大后能发明一种机器阻止人的死亡，这样的念头可能在很多人第一次失去至亲时都会在头脑中闪过，但他居然把这一幻想变成了现实，他就是科尔夫。

1911年2月14日，科尔夫出生于荷兰莱顿，家族是古代荷兰的名门望族。他的父亲雅各布原是一名全科医生，1916年成为结核病疗养院的主任。科尔夫少年时有感于父亲救治病人的艰难，也想学医助父亲一臂之力。在一次采访中他回忆说：“后来，我学医、制造医学仪器的目的就是要阻止人们的死亡。”1930年，科尔夫进入莱顿大学学医。

莱顿大学是荷兰王国历史最悠久的高等学府，也是最具声望的欧洲大学之一，科尔夫在医学院的8年里得到了许多名师的指点。1938年他在格罗宁根大学附属医院找到了一份工作，在伦纳德·波拉克·丹尼尔斯（leonard polak daniels）手下做住院医生，丹尼尔斯是当时西欧著名的医生，非常善于激发住院医生的天赋、鼓励他们以非常规手段解决医疗问题，这样的言传身教对科尔夫影响巨大。如果说科尔夫日后的巨大成就是一颗参天大树的话，那么也许在此时，那颗种子就已种下。

威廉•约翰•科尔夫（图源：犹他大学凯发k8一触即发官网）

1938年10月，科尔夫眼睁睁看着一位叫简·布鲁宁（jan bruning）的年轻病人在挣扎痛苦中死去，却和他悲伤的父母一样无计可施，这让科尔夫无比沮丧，明明只要每天在他的血液里清除20克的尿素他就能活下来，为什么我们做不到？科尔夫想，如果能找到一种方法，可以清除患者血液中积聚的有毒废物，就可以暂时维持他的生命，直到肾功能恢复正常。这跟1930年马萨诸塞州的不眠之夜对吉本发明人工心肺机的启示多么地相像！

简·布鲁宁死后几天，科尔夫一头扎进有关肾衰竭的文献中，在导师丹尼尔斯教授的支持下，他与格罗宁根大学生物化学教授罗伯特·布林克曼（robert brinkman）博士合作，共同研制肾透析装置来净化血液，以延长肾衰竭患者的生命。

不过，这项研究从一开始就让科尔夫承受了巨大的压力，当地的医生同行对这一研究充满了怀疑、蔑视和愤怒。这些庸碌之辈无法想象，科尔夫这般年轻的医生竟然会实现这一医学奇迹，毕竟，就连欧洲和美国顶尖的医学机构也没能发明出血液透析装置呢！

最初，科尔夫设计了一个实验：在肠衣中灌满血液，排出空气，添加肾脏的代谢废物——尿素，然后在盐水槽里快速地摇晃肠衣。由于肠衣的半透膜性质，尿素这样的小分子可以穿过细胞膜，而较大的血液分子无法通过。5分钟后，所有的尿素都转移到了盐水中。很难相信，这便是人工肾的最早雏形。

到1939年，科尔夫和布林克曼设计制造了几种类型的人工肾脏，它们在实验室中运行良好，但还不适合给病人使用。

1940年5月10日，荷兰遭到纳粹德国的侵犯，科尔夫的研究受到了严重的干扰。作为一名爱国者，科尔夫不愿与德国人合作，不得不转移到海牙一家医院工作，在艰苦而简陋的环境下继续人工肾的研究。战争期间，研究几度中断，因为他同时也在为荷兰抵抗组织工作，并利用医生身份为部分犹太人提供庇护。在这期间，科尔夫断断续续治疗了16位肾衰的病人，由于早期版本的人工肾性能尚不可靠，空气栓塞、肠衣破裂漏血等问题还时有发生，这16位病人都没能活下来。

1945年9月，一位名叫索非亚·沙夫施塔特（sofia schafstadt）的67岁病人，因病情严重，当时所有的措施都已回天乏力，她出现肾衰和败血症并陷入昏迷，医生判断她也许只有几个小时的生命了。

索非亚的家人抱着最后一线希望找到科尔夫，同意科尔夫使用这个还不稳定的人工肾。此时，科尔夫第十六连败刚刚过去14个月。

整个透析过程，科尔夫几乎寸步不离，经过一整晚的折腾，人工肾从索非亚的体内清除出60克尿素，次日下午，病人从昏迷中醒转，几个小时后她的肾脏开始排尿，几天后她的肾功能已接近正常。

这位历史上第一个经由人工透析救治成功的人，又侥幸多活了7年。其实在为她救治时，科尔夫还顶着另外的压力，因为在德国侵占荷兰期间，她是一位纳粹合作者，战后的荷兰人自然会把对纳粹者的愤怒转移到这些合作者身上。在科尔夫决定为其治疗时，有人曾劝他说：“不如让这个作恶多端的女人死掉算了，为什么要救她？”他回答：“任何医生都没有权力决定病人的生死。”作为一名荷兰人，当强敌入侵时，科尔夫选择不合作；但作为一名医生，他却会善待每一位患者。

而今，人工透析技术已经成为挽救肾衰竭病人的常规手段，数以千万计病人的生命因此得到延续。毫无疑问，仅凭这项功绩，科尔夫已足以不朽。然而他的成就却未止步于此，或者说，他的辉煌才刚刚开始。

第一个使用人工肾的病人，荷兰（图源：犹他大学凯发k8一触即发官网）

科尔夫还在海牙建立了欧洲第一个血库，这个血库至今仍在使用，因为这个创举，他后来还获得了红十字会颁发的卡尔•兰德斯泰纳奖章。另外，他还救助藏匿了从纳粹集中营逃到他们医院的800多人，真可谓侠肝义胆功德无量。

1947年科尔夫受邀赴美东海岸各州进行了三个月的学术演讲，1948年科尔夫赴美接受amory奖，这是美国学术界对科学与艺术成就的最高认可的奖项。这一年，他还去费城杰斐逊医学院拜访了正在研究人工心肺机的吉本，那时吉本已经在体外循环领域奋战了17年，距离他第一次成功地应用心肺机进行房间隔手术还有6年。吉本的研究工作给了科尔夫极大的启发，隐约萌生了设计制造人工心脏的想法。这两次美国之行，让科尔夫眼界大开。

在荷兰，没有工业体系资助科学研究，在美国，这却是常态，而且，医学研究者可以专注于教学和研究，不需要通过行医治病维持生计。

1949年春，科尔夫接受美国克利夫兰医学中心的邀请，到那里做专职的医学实验研究，次年3月，科尔夫抵达美国，在这里他将走向研究事业的巅峰。

在克利夫兰，科尔夫与弗兰克•梅森•曾根（frank mason sones）、唐纳德·埃弗勒（donald effler）进行了很多深度合作，为克利夫兰设计了第一个可供临床使用的人工心肺机。为了解决心脏手术时心脏还有跳动的问题，科尔夫通过阅读文献发现，英国学者唐纳德·梅尔罗斯（donald melrose）曾报道过将柠檬酸钾注射进冠状动脉可以使心脏停跳，科尔夫等人重复了这一研究，并设计了可以让人的心脏在手术时停跳并在术后恢复跳动的方法。1956年3月17日，由埃弗勒主刀为一个17月大的患儿进行房间隔缺损修补的手术，科尔夫负责体外循环，这是克利夫兰医院第一次使用科尔夫设计的膜式氧和器的体外循环机进行心脏手术，也是医学史上第一次实现使用柠檬酸钾让心脏停跳再复跳。这个患儿术后恢复顺利，15天后出院。

自此，克利夫兰医院在心脏病治疗方面声名鹊起，后来阿根廷医生勒内·赫罗尼莫·法瓦洛罗的加入，又使这家医院在心肌血运重建领域率先取得突破。仅仅数年，克利夫兰医院就由一所小型私人医院成长为举世闻名的心脏医疗中心，而今，这家医院每年进行的心脏手术多达数千例。

科尔夫逐渐成为炙手可热的学术明星，世界各地许多心怀抱负的研究者纷纷前来投效，结果，科尔夫实验室原本南腔北调的英语，最后统一变成了荷兰口音的英语。

1955年春天，美国成立人工器官协会，科尔夫当选第一任主席。仅用了5年时间，来到美国的科尔夫就强龙压倒地头蛇，坐上了全美人工器官领域的第一把交椅。

在这次会议里，大家主要讨论了人工肾透析、体外循环等热门话题，而人工心脏之类的前卫想法，只有科尔夫等少数与会者有所提及。彼时，人们内心深处还残留着对心脏的敬畏——那些心衰濒死的病人，也许最好自然死去，用人工心脏来延续生命，岂不是僭越了上帝的角色？但那时正春风得意踌躇满志的科尔夫已暗暗下定决心，要以毕生之力去挑战这一无比艰难的任务：造出人工心脏，挽救心衰病人。

1957年，科尔夫和35岁的日本研究者阿久津哲三（tetsuzo akutsu）合作，6个月里废寝忘食，开发出了一种有4个腔室的人工心脏。该装置外观很像人的心脏，通过使用循环液压来产生脉动流。1957年12月12日，他们将一条实验犬麻醉后连上体外循环机，在体外循环的支持下，将这枚人工心脏植入实验犬体内，当体外循环终止之后，人工心脏继续维持了90分钟的血液循环。4个月后，科尔夫和阿久津哲三在美国人工器官协会的第四次会议上报告了这次试验。与会同道对这一试验大都持审慎的态度，但其中一些在几个月后也加入到人工心脏研究的大军中来，在美国之外，也有一些团队做了一些尝试。

比如阿根廷医生多明戈·桑托·李奥塔（domingo santo liotta，1924—），他在法国里昂完成外科方面的训练之后，就对人工心脏研究产生了兴趣，1958年他回到阿根廷，在科尔多瓦国立大学建立了自己的研究团队，他和兄弟萨尔瓦多(salvador)还有一位意大利退休工程师托马斯·塔利亚尼(thomas taliani)制造了早期的人工心脏，并利用狗和小牛做了数百次实验，实验结果在当时看来非常乐观，因此，学院院长建议李奥塔将自己的研究在美国人工器官协会的会议上发表。当李奥塔带着自己的论文出现在大西洋城的会议现场时，科尔夫意识到这个年轻人必将会在这一领域有所成就，于是极力邀请他来美国克利夫兰医学中心，终于成功将李奥塔招至麾下。1961年，他们即报告了在狗体内植入人工心脏的实验结果，李奥塔由此在美国学术圈崭露头角。

其后，李奥塔又先后与得克萨斯州休斯顿贝勒医学院的麦克·埃利斯·德贝奇(michael ellis debakey)和丹顿·阿瑟·库利(denton arthur cooley)合作，继续在人工心脏的研究领域披荆斩棘。但李奥塔这段脚踩两只船的研究经历，也间接引发了现代医学史上一场著名的纷争。

1962年，李奥塔团队报告了主动脉瓣手术后心源性休克患者首次临床使用人工心室的病例。这种最初的辅助装置是连接于左心房与降主动脉之间，由阀门、导管内的气动驱动、管状活塞泵组成，以确保单向流动。该装置支持患者在术后存活了4天，随后患者死于肺炎和多器官衰竭。

受到这些临床报告的结果以及令人信服的大型动物实验的鼓舞，美国国立卫生研究院（nih）于1964年建立了人工心脏计划，数家机构先后签约，共同探讨机械心泵工程的可行性。这些机构包括：犹他大学的科尔夫团队（科尔夫于1968年离开了克利夫兰医院），贝勒医学院的德贝齐团队，宾夕法尼亚州立大学的威廉·皮尔斯（william pierce）团队，克里夫兰医院的yukinosé团队等，按照设想，这些人工血泵不仅可作为急性心衰恢复期的过渡性治疗，也可作为血液循环的永久性替代。1966年，德贝奇第一次使用气动左心辅助装置（相当于半个人工心脏，仅辅助左心室的收缩），在心脏手术后支持了患者10天。

从时间线上不难看出，人工心脏的研究其实与体外循环及心脏移植的研究是彼此交错的。南非开普敦的巴纳德于1967年进行的第一次人类心脏移植手术，无疑对人工心脏的研发起到了极大的催化作用，随着心脏移植研究及实践的推进，医学界迅速意识到血液循环的辅助装置可以作为找到供体心脏之前的过渡支持手段。1969年，库利及其同事报告了第一次临时使用全人工心脏（李奥塔设计），使患者过渡到了心脏移植。正是这次手术，使库利与德贝齐彻底决裂，在长达38年的时间里形同陌路。

左：michael debakey (图源:维基百科)
右：denton arthur cooley （图源：贝勒医学院凯发k8一触即发官网）