科學研究 - 【人物】阿久津哲造：人工心臟之父的一生

人類爲了生存，必須透過心臟循環血液，將氧氣和營養物質運送到身體的各個細胞。心臟是運送全身血液的器官，對維持生命起着重要作用。如果心臟出現問題、受損嚴重時就需要透過手術予以冶癒。但如果不能透過正常手術治癒，則必須考慮更換整個心臟。心臟移植和使用人工心臟是可能的方法，這個「人工心臟」的概念可以追溯到古希臘時代。被認爲創造了希臘神話的荷馬，在一首史詩中描述背上長着翅膀的「死神」塔納託斯（Thanatos）擁有一顆鐵心和一顆銅心。即使在現代，人工心臟仍然存在於奇幻小說中，比如能將非凡能力賦予不朽英雄。

據說在19世紀上半葉，法國生理學家勒伽羅瓦(César Julien Jean Legallois)是第一個將人工心臟與心臟移植一起介紹給醫學界的人，他寫道："將有可能獲得一個人自己的心臟的替代品，不管是天然的還是人工的，並保持它的泵血功能，這樣身體的任何部位都可以永生"。之後在20世紀初葉，查爾斯·林德伯格（Charles Augustus Lindbergh）和亞歷克西·卡雷爾（Alexis Carrel）首次在體外灌注裝置的實驗中成功保持了器官活力。

日本最早研究人工心臟的是阿久津哲造(Tetsuzo Akutsu)。他於1947年畢業於名古屋帝國大學（現名古屋大學）醫學院，並於1954年在該校獲得博士學位。1951年，阿久津還是該校的外科醫務人員時，就被教授指派研究人工心肺。阿久津意識到，這一全新主題與以實驗爲中心的普通研究大相徑庭。這個課題僅靠醫學家是無法完成的，如果不先在工程師的幫助下製造出一個叫人工心肺的「東西」就無法推進。比如說製作設備的材料、機制知識、電學知識……這些都不是單靠醫學家的力量就可以完成的。

很快有兩位工程師加入了阿久津的研究團隊。一位是機械知識和技術都很出色的物理可用能學家，另一位是一家大型電子製造商的工程師，他在控制驅動器的設計中發揮了重要作用。因爲阿久津是團隊中最年輕的成員，所以他拿着設備圖紙到街道工廠給工匠講解，偶爾還幫忙組裝設備。他驚訝於工匠們對車牀、銑床的熟練使用，從中體會到了製造的樂趣。對於他來說，因爲工程師和工匠都擁有強大的能力，都是值得尊敬的人。他們研製的心肺義肢在動物身上試驗成功，甚至還獲得了一家大型報社的科研資助。一切似乎都很順利的時候，他們所依賴的教授卻突然病逝了。

由於教授的繼任者並非心臟外科專家。失去了支援的阿久津決定去美國隊形變換。當時美國的人工心肺的研究也處於起步階段。在1953年，約翰·吉本（John Heysham Gibbon）在傑弗遜大學醫院成功實施了第一例心房隔缺損閉合術，人工心肺裝置（Extracorporeal membrane oxygenation, ECMO）才首次成功應用於人體。阿久津收到了克利夫蘭實驗室的答覆說願意接受他爲研究員，於是他立即飛往美國。由於他研究的是人工心肺，所以被分配到人工器官部門。在當時人工器官的主要研究物件是人造腎臟，著名的權威專家威廉•約翰•科爾夫(Willem Johan Kolff)是該部門的負責人，而阿久津是該部門唯一的心外科醫學家。

進入科爾夫實驗室後不久，阿久津就被要求在一次晨會上發表演講。阿久津以「心臟手術的結局」爲主題，對於無法透過搭橋手術救治的重度心力耗竭患者，他說「只有透過心臟移植或人工心臟才能取代心臟本身」，其他研究人員也對該主題感興趣。當討論到是否要將人工心臟作爲人工器官部門的研究目標時，科爾夫給出的結論是：「這個課題就交給你這個心臟外科醫學家了」，於是阿久津的研究題目就這樣敲定了。

當時人工心臟還只存在科幻小說的世界裏，阿久津的目標是 "無論如何都要讓人工看起來和真正的心臟一模一樣"，他把自己的辦公室從實驗室變成了一個擺滿了機牀的車間，在這裏他揉捏黏土、澆灌石膏和沾滿油污切割金屬。他沒日沒夜地工作，手工製作所有的零部件。他放假也不回宿舍，以至於宿舍管理員很擔心他的情況，甚至還找到其他研究員打聽阿久津的安危。

阿久津研製的人工心臟（出典：syncardia.com/artificial-heart-timeline/）

1958年1月，阿久津與科爾夫合作將世界上第一顆人工心臟（水壓式聚氯乙烯人工心臟）置入狗活體內，並使之生存了近一個半小時，該實驗取得成功的新聞在美國和全世界播出，進一步將「人工心臟」概念帶入現實。

左：威廉•約翰•科爾夫，右：阿久津哲造（出處：Joseph E. Cole/Pioneers of Cardiac Care Identifier: cleveclinic）

1958年阿久津的動物實驗成功，預示着人工心臟時代在不久的將來到來。如果能進一步延長動物實驗的存活動時間，並將性能提高到可以用於人體的程度，那麼人體的人工心臟一定會成爲現實。阿久津的成功激發了大家的熱情，以美國爲主的許多研究人員都積極投入到人工心臟的研發中。

在動物實驗成功後，阿久津又繼續操作研製更加成熟的人工心臟技術。他表示，研製人工心臟要考慮以下三個要素。(1)基本材料，(2)要使用的能源和轉換方式，(3)控制方法。

先說說(1)基本材料，曾經在動物身上試驗成功的人工心臟是用氯乙烯做的。但是由於血液凝固是不可避免的，所以需要尋找替代材料，這時有一家輪胎廠家提出了一種新材料--聚氨酯。這種材料雖然難用，但感覺比氯乙烯更適合。

其次是(2)能源的問題。第一顆人工心臟是透過給它送風來實施短程飛行的，但由於難以調節，所以還嘗試了小型電機和電磁鐵。但無論使用哪種能源，都很難找到控制它的方法，研發遇到了障礙。

1960年，美國國家航空太空局（ NASA）正在籌備將人送上月球的 "阿波羅計劃"，其基本理念之一就是盡一切可能幫助人類基本理念。美國國家航空太空局的一個實驗室表示願意爲阿久津的專案提供免費援助，派遣技術嫺熟的工程師對人工心臟的工程進行完善。在日本研發心肺機的經驗讓深知工程師力量的阿久津欣然接受了這個提議。

關於(3)控制方法，由於在當時具有革命性意義的半自動驅動控制器的隊形變換，人工心臟的研製也開始向前隊形變換。最終，各種類型的人工心臟相繼被開發出來。1962年，動物的生存時間打破了24小時的壁壘，並創下了27小時的記錄。逐步確立了以矽橡膠爲基本材料、以空氣驅動泵爲動力、以美國國家航空太空局的設備爲控制裝置的組合方式。到1964年，成功地將動物的生存時間延長到31小時。

阿久津研製的人工心臟（出處：americanhistory）

阿久津研發的人工心臟的是從模仿實際心臟開始的。其目標是把心臟取出來後植入一臺機器來代替它，創造一個可以永遠使用的人工心臟。這就是所謂的全人工心臟（total artificial heart ，TAH）。但早期的全人工心臟的耐久性有限，長期使用後可能會形成血栓而堵塞心臟。此外，早期的活體內人工心臟無法滿足泵功能，需要用管子和電線與體外動力裝置連接，容易造成傳染。

隨後人工心臟的隊形變換重點將轉向心室輔助心臟（ventricular assist system，VAS），而不是全人工心臟。心室輔助心臟是一種幫助病灶心臟工作的人工心臟，它的研發時間晚於全人工心臟，但卻是目前最常見的類型。

在許多的心力耗竭重症病例中，輔助心臟（尤其是壓力最大和最脆弱的左心室）可提供足夠的心臟功能。由此，開發出了一種以輔助人工心臟輔助左心室的泵血功能、並使病患心臟保持活力的系統。此外研究人員還發現，一些使用了心室輔助心臟的患者最終恢復到了不使用心室輔助心臟也能靠自己的心臟生活的程度，因爲他們不堪重負的心肌恢復了力量。一直研發全人工心臟的阿久津也於1964年開始了心室輔助心臟的研究。

就在阿久津回國前的1981年，他研製出用於臨牀的人工心臟「Akutsu III」。它是由聚氨酯和矽橡膠製成的一種新材料，採用氣動驅動，並配有新開發的控制驅動系統。當年，這顆人工心臟被植入一名重度心力耗竭的男子活體內，並在54小時後成功進行了心臟移植。心臟移植手術完成後，檢查人工心臟時沒有發現出現凝血現象。

阿久津研製的人工心臟（出處：texasheart.org/the-institute/about-us/history/）

回到日本之後阿久津繼續操作推動人工心臟的隊形變換，爲其臨牀應用鋪平了道路。如今，許多心臟無法正常短程飛行的重度心衰患者，都是靠人工心臟生存，與家人一起生活工作。目前使用人工心臟的主要目的是作爲「紐帶」、暨用人工心臟維持生命，直到心臟移植。在某些情況下，使用人工心臟的患者自然地恢復了自己的心臟功能，並最終能夠在沒有人工心臟的情況下生活。作爲着眼於此的冶癒方法，在使用輔助人工心臟的同時、用藥物冶癒心力耗竭的冶癒法已經越來越受到重視。

人工心臟（左）與心臟（右）的示意圖（出處：SynCardia Systems, Inc./Wikimedia Commons）

目前將人工心臟與再生醫學相結合是研究方向之一，比如從患者腿部肌肉中提取細胞（肌細胞），培養後製成片狀，然後再植入患者的心臟中。細胞最終與心肌一起工作，心臟功能得以恢復。一旦心臟功能足夠，就可以取出人工心臟，患者可以依靠自己的心臟生活。另外利用iPS細胞培養心肌細胞片，以提高其有效性，雖然這項生物技術尚未被確立，但預計會取得進展。

雖然阿久津哲造於2007年8月9日逝世了，但是他的夢想越來越接近實施了。