命を救う人工心臓

長い間、末期心不全の患者にとって心臓移植は最後の選択肢となってきました。しかし、心臓の提供が不足しているため、近年、人々は「寿命を延ばす機械」、つまり人工心臓に注目し始めている。

心臓が止まっても…心臓は一生その人に付き添います。血液は心臓の働きによって人体全体に流れ、血液循環は物質代謝やエネルギー伝達などの機能に関与しています。心臓の機能が損なわれると、人命の安全は大きく脅かされます。世界中で約 2,200 万人が心不全に苦しんでいると報告されており、この数は今も急速に増加しています。心不全とは、心臓の力が不十分で全身に十分な血液を送り出せない状態を指します。その結果、呼吸困難、極度の疲労、下肢の浮腫を引き起こし、患者の日常生活に深刻な影響を及ぼし、患者の生命を危険にさらすこともあります。

心臓はどのようにして体全体に血液を送り出すのでしょうか？

心臓は「汲み出す」ことと「排水する」ことを担う「水ポンプ」のようなものです。心臓は、2 つの寝室と 2 つのリビングルームがある 2 階建ての建物で、上階に左心房と右心房、下階に左心室と右心室があると想像できます。まず、心室が収縮すると、体内の酸素を失った血液が静脈から右心房に流れ込み、次に右心室に流れ込み、右心室は酸素を失った血液を肺に送り出します。酸素を失った血液は二酸化炭素を放出し、肺で酸素を吸収して酸素を含んだ血液となり、左心房に流れ込み、左心室を通過して全身に送り出されます。全身を流れる血液は、細胞呼吸に使われ、二酸化炭素や代謝産物を生成し、酸素を失った血液となって再び心臓（右心房）へと流れていきます。そのため、心臓が拍動することで全身の血液循環が維持され、他の臓器にも酸素や栄養分が運ばれています。健康な心臓は、人体の正常な機能を確保するために、1 日に約 10 万回鼓動します。

現在、心不全患者のうち約 44% が生命維持のために強心薬に頼っており、約 23% が心臓移植を待つ間、心臓機能を維持するために補助人工心臓に頼っています。しかし、心臓ドナーの不足は他の移植臓器の不足よりも深刻です。この問題を解決するために、科学者たちは人工心臓の開発に注目しました。

人工心臓とは何ですか？

人工心臓は体内に埋め込むことができる装置です。補助人工心臓と完全人工心臓の2つのカテゴリーに分けられ、完全人工心臓は心臓の機能の一部または全部を代替するために使用されます。簡単に言えば、人工心臓の機能は、心臓の血液送り出しを補助または代替し、心不全患者の体の血液循環に継続的な動力源を提供することです。

現在、人工心臓の臨床応用は主に3つの側面に分かれています。第一に、心臓移植を待つ移行期間中の代替品として、患者が適切なドナーを見つけるための時間を稼ぐことです。 2つ目は、急性心不全患者に対して、心機能が回復した後に除去される短期的な代替サポートを提供することです。 3つ目は、末期心不全患者に長期的な代替手段を提供し、患者が人工心臓で長期間生存できるようにサポートすることです。

理論的には、あらゆる形態の「水ポンプ」を機械式人工心臓として使用することができます。しかし、人体の特殊性により、「水ポンプ」が血流を促進する速度、「水ポンプ」の携帯性、「水ポンプ」によって引き起こされる免疫反応、「水ポンプ」の安定性など、すべて考慮しなければならない側面があります。

上記の点に基づいて、研究者は別の完全人工心臓、つまり完全磁気浮上型人工心臓を開発しました。

国内完全磁気浮上型人工心臓

完全磁気浮上型人工心臓の原理は複雑ではありません。磁力を利用してローター（回転機械の回転部分）をキャビティ内に吊り下げ、電流を制御することでローターを回転させるだけです。これは磁気浮上式鉄道の原理と非常によく似ており、磁気浮上式のおもちゃと何ら変わりません。しかし、完全磁気浮上型人工心臓は、長期間にわたって患者と共存する医療機器であるため、その動作安定性は極めて高い要求を満たすことができます。同時に、そのサイズと生体適合性は、従来の人工心臓に比べて人体に対してはるかに優れた効果をもたらします。

現在、東呉大学人工臓器研究所が開発した新型完全磁気浮上型人工心臓は世界をリードするレベルにある。カタツムリのような形をしており、主にチタン合金で作られています。このデバイスの直径はわずか50mm、厚さは26mm、重さは180g未満です。この装置は、電磁石、永久磁石、ローターを利用してポンプ本体を形成し、血流を促進します。

完全に磁気的に浮上した人工心臓ポンプ本体のコア部分は鋸歯状のローターで、その上下にそれぞれ電磁石と永久磁石が配置されています。 2つによって生成された磁場により、ローターがポンプ本体内に浮遊します。電磁石の電流を変化させて磁場の強さを変えることで、常に変化する磁力が生成され、ローターを回転させます。ポンプ本体は 2 本のカテーテルを通して血液を導入および排出します。ローターの特殊構造により、回転時にカテーテル内の血液に負圧吸引力が加わり、血液がポンプに「吸い込まれ」ます。同時に、ポンプに「吸い込まれた」血液に正圧の推力を加え、もう一方のカテーテルから血液が送り出されるようにすることで、心臓における血液の送り出しプロセスをシミュレートします。

通常のローターと比較して、完全磁気浮上人工心臓のローターには一定の衝撃吸収機能もあり、人体とともに動く際の装置の動作安定性を向上させることを目的としています。生体適合性の観点から、懸架式ローターは回転のための潤滑剤として血液を必要とせず、液体動圧軸受よりもはるかに大きな懸架ギャップを実現するため、血液成分へのダメージが大幅に軽減されます。

現在、この完全磁気浮上型人工心臓はまだ臨床試験の段階にあります。移植実験を受けた最初の人は河北省の若い心不全患者だった。移植を受ける前、患者はしばしば衰弱感や呼吸困難を感じ、基本的に毎日ベッドに横になって休むことしかできなかった。 2021年1月、磁気浮上式人工心臓が患者に移植されることに成功した。患者によれば、手術前は20～30メートル歩くと息切れしていたが、今では1,000メートルも問題なく歩けるようになったという。彼はまた、他の人の助けを借りずに自分で階段を上り下りすることができ、基本的に完全なセルフケアを達成しました。

比較的単純な原理と非常に難しい技術を組み合わせることで、完全に磁気浮上する人工心臓が誕生しました。近い将来、完全磁気浮上型人工心臓が、より多くの心不全患者に新たな「鼓動」をもたらすと信じています。

人工心臓開発の歴史: 20 世紀半ばには早くも科学者たちは人工心臓の道を模索し始めました。 1953 年、世界初の人工心肺装置が、手術を受ける心臓病患者に 26 分間の完全な呼吸および循環補助を提供し、人工装置で心臓機能をシミュレートできることが初めて確認されました。 1957年に最初の人工心臓が開発されました。医師らはそれを犬に移植したが、その動物はわずか90分しか生きられなかった。 1969年、世界初の人工心臓移植手術が成功し、人間の心臓移植を待つ患者に64時間の貴重な時間が与えられました。しかし、患者は人間の心臓移植を受けてから32時間後に感染性肺炎で死亡した。 1981年、世界で2番目の人工心臓移植手術が完了しました。患者は移植手術を受け、その後55時間生存し、その後人間の心臓移植を受けた。残念なことに、患者は人間の心臓移植を受けてから10日後に感染症、腎不全、肺の合併症で亡くなりました。 1982年、61歳の患者に初めて完全人工心臓が移植されたが、その患者は112日後に死亡した。 2004年に改良された全人工心臓が登場しました。移植を受けた患者のうち、最も長い生存期間は1,374日だった。

1990年代には、脈動する血液ポンプを中核とする完全な人工心臓が登場しました。しかし、血液成分へのダメージが著しく、受血者における溶血（赤血球の異常な分解と死滅）や血栓症の発生率が高く、サイズが大きく、耐用年数が短いことから、基本的に廃止されました。 21世紀に入ってから、人工心臓の分野では回転式血液ポンプが主流となりました。そのうち、第一世代（機械接触軸受）と第二世代（液体動圧軸受）は、血液成分に重大な損傷を与えることから、次々と市場から排除されました。

第 3 世代の完全人工心臓では、中核コンポーネントとして、完全に磁気浮上した血液ポンプが使用されています。以前の 2 世代と比較すると、ローターの制御が容易、寿命が長い、血球へのダメージが少ない (血栓症や溶血の可能性が減少)、サイズが小さい (生体内移植に適している)、消費電力が低いなどの利点があります。完全磁気浮上型人工心臓の研究開発により、完全人工心臓の分野は新たな段階に突入しました。