美国哈佛大学和波士顿儿童医院的研究人员合作开发出一种可植入软体机器人,可在不与血液接触的情况下帮助心脏跳动泵血。这种可定制的软体机器人,或催生出新的心力衰竭治疗方案,对于心衰患者来说是一个福音。本周出版的 Science Translational Medicine 公布了这项研究,其中也包括在活体猪身上所做的一些概念验证实验。

心力衰竭是一种很常见的心脏疾病,全世界有4100万人受心衰影响,他们或需要进行心脏移植,或需要用心室辅助装置(VADs)将血液从心室泵送到主动脉。由于VAD内的血液会与管、泵等一些人体器官表面接触从而增加凝血风险,那些基于 VAD 治疗的患者往往必须服用血液稀释剂与一些需要仔细查看的药物——余生都是如此。

2012 年初,当哈佛大学研究生Ellen Roche与她的哈佛生物设计实验室顾问Conor Walsh一起,和心脏外科医生Frank Pigula相遇之时,Pigula就在波士顿儿童医院内向他们讲述了自己关于研究辅助心衰患者治疗而无需接触血液装置的想法。

“头脑风暴之后我们认为这也许是软体机器人的一个很好的应用,”现任爱尔兰国立大学戈尔韦博士后研究员的Roche说到。一般来讲软体机器人由柔性材料制成,重量轻、适用度高,而且还能实现如扭曲、向心脏中注入压力等各种复杂动作。

三年来,研究人员为解决心脏排异的问题进行了机器人的多次迭代。这个的圆柱形装置主要由硅胶制软管、柔性气压传动装置和气泵三部分组成。研究人员通过吸入装置、凝胶界面和手术缝合相结合的一套组合手段,将软管缠绕在心脏外围,就如同心脏外层肌肉一般。软管与周围的柔性气压传动装置相连,依靠外部气泵提供的动力,以心脏跳动的节律同步进行收缩、扩张,辅助心脏泵血,从而增强受心衰影响的心血管功能。

与现有的心室辅助装置不同,这一新装置并不会直接接触到血液,进而降低了血管阻塞的风险,未来使用该装置的病人不必再服用具有潜在危害的血液稀释类药物。

Roche说:“即使病患状况发生了变化,你也可以通过这些套管调整治疗程度深浅。”

在合成心脏和死猪体上进行测试之后,该团队利用减缓心脏跳动的药物在心力衰竭的活猪体内进行了概念验证性研究,设备与心脏接触时成功将血流量恢复到基准水平。

研究人员表示,过去由于技术的限制,用压缩心脏手段替代泵血型心室辅助装置的想法被摒弃,但如今软体机器人技术的出现,让这一设想成为现实。虽然新装置尚未进行人体植入试验,但研究结果表明,软体机器人在临床医学上具有很大的应用潜力。

此外,该团队在如何减少心脏表面炎症方面也开展了相关研究。他们测试了哈佛David Mooney实验室(也是Roche的博士期间的合作顾问与论文联合作者)研发的水凝胶。凝胶作为套管和心脏之间的保护层,能向我们提供一些减少炎症的可能性。

这种装置需要加压空气,Roche想出了在背包中存储压缩空气进行原料供应的方法使得系统更为便携。今年秋天,Roche将返回波士顿并在麻省理工学院任职。她计划延长研究期限并开始为长期动物研究寻找资金。

Roche最终目标是创造一个不仅能够在患者等待移植期间提供帮助,而且能够减少心脏负荷从而使其有足够的时间治愈的套管,“这是一项假设,但也许你最终可以凭借它快速恢复甚至痊愈,”Roche说。“但我也不是说自己一定能成功。”