机械辅助循环治疗心力衰竭

林颖 石琳

心血管系统疾病发病率逐年上升，部分患者可发展为终末期心力衰竭(心衰)，而终末期心衰的药物治疗效果有限。近年来，机械辅助循环设备(MCSD)得到飞速发展，逐渐应用于心衰患者的临床治疗中。这类设备可经皮或开胸植入，完全或部分代替心脏的泵血功能，显著改善患者的血流动力学，为患者日后进行心脏移植等高危手术提供短期支持或在某些特定情况下提供长期支持。

1 机械循环辅助设备概述

MCSD是一类可以替代心脏泵血功能的人工器械，主要包括主动脉内球囊反搏(IABP)、体外膜氧合(ECMO)、心室辅助装置(VAD)和全人工心脏(TAH)等。近年来，VAD作为终末期心衰患者进行心脏移植前的辅助治疗手段，在欧美国家得到广泛应用。北美INTERMACS数据库截至2017年注册了25 145例接受MCSD的成年心衰患者，其中约76.67%为连续流VAD，1.3%为TAH[1]，连续流泵中78%为轴流泵，22%为离心泵；欧美EuroMACS数据库截至2016年有2 600例患者使用VAD[2]；日本J-MACS数据库截至2018年共有879例患者使用MCSD，总体预后良好[3]。截至2019年，我国约开展IABP 26 000例、ECMO 3 700例，少数中心引进了部分VAD如短期经皮心室辅助装置ECMO、IABP、Impella和Tandem等，以及长期左心室辅助装置HeartMateⅡ(HM2)和HeartMateⅢ(HM3)等[4]。

1.1 使用策略

MCSD可用于移植前过渡(BTT)、心肌功能恢复过渡(BTR)、装置过渡(BTB)、最终治疗(DT)、候选人过渡(BTC)和决策前过渡(BTD)等，其中最常用于BTT，BTT适用于等待移植过程中药物治疗无效的顽固性心衰患者；BTR适用于急性心肌炎、心脏手术后心排出量低、急性广泛性心肌梗死、顽固性恶性心律失常、心脏移植失败、药物治疗无效的患者；BTB适用于需要长期机械循环辅助但目前有手术禁忌证的患者；DT适用于无法进行心脏移植但又需要循环辅助的终末期心衰患者；BTC适用于移植资格未定、尚未明确是否需要长期机械辅助循环的患者；当无法明确患者病情时，可采用BTD用于紧急治疗。

1.2 分类

MCSD可根据辅助时长分为长期和短期设备，根据植入部位分为体外和体内设备，根据血流特点分为搏动流和连续流设备，根据辅助部位分为左心室辅助装置(LVAD)、右心室辅助装置(RVAD)和双心室辅助设备(BVAD)。同一种MCSD可通过吻合心脏和血管的不同部位分别作为LVAD、RVAD或BVAD使用。

2 长期机械循环辅助设备

2.1 第一代 LVAD

以模拟自然循环搏动为目的设计的第一代搏动流泵，如Novacor、Thoratec HeartMate XVE/VE/pVAD等，由于体积大、噪声强、结构复杂、容易发生故障、耐久性差等原因，已经面临淘汰。

2.2 第二代 LVAD

第二代连续性轴流泵颠覆了第一代老式搏动流泵的设计，移除了瓣膜、泵室等结构，泵内仅包含一个活动部件——叶轮，如HM2、Jarvik 2000等，可产生连续的轴向血流。由于结构简化、体积缩小，二代轴流泵的工作效率更高，适用人群范围更广。

HM2轴流泵是较常用的第二代LVAD，2008年和2010年分别获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于BTT、DT，至今已治疗了约26 600例患者[5]。HM2轴流泵由植入式血泵、微处理系统控制器和电源组成。泵体内部有1个可转动马达，转速8 000～10 000转/min，可维持3～10 L/min的连续血流。HM2轴流泵约400 g，使用寿命至少5年，其流入道与左室心尖部相连，流出道与升主动脉相连。血液从左室流入泵体，再经流出道到达升主动脉。流入道和流出道的血液接触面采取粗糙的纹理设计，以防止血栓形成。使用HM2轴流泵时应注意监测血压水平、抗凝情况，警惕传动系统感染、脑卒中、胃肠出血、右心衰[6]、血栓、主动脉瓣叶融合、功能不全或狭窄等并发症[7-8]。日本多中心研究表明，接受HM2治疗的心衰患者术后生存率与患者的体表面积(BSA)有关，在104例心衰患者中，BSA<1.5 m2的患者术后6个月和1年生存率都是90%，而BSA>1.5 m2的患者为90%和85%。BSA>1.5 m2的患者术后出现脑卒中、传动系统感染的风险更高[9]。植入第二代LVAD后发生设备故障的高风险心衰患者使用HM3进行替换，术后无血栓形成，而且患者死亡率和设备故障的发生率显著降低[10]。

Jarvik 2000人工心脏于2014年经FDA批准用于DT，在美国、欧洲、亚洲等地区治疗了500多例心衰患者。Jarvik 2000人工心脏约90 g，大小2.5 cm×5.5 cm，钛外壳内包裹的直流电机由2个陶瓷轴承和1个旋转叶轮构成，使用寿命至少6年。泵位于套管内，无需泵袋，可直接置于左心室内，其流出道直径约16 mm，与主动脉吻合，因其部件减少而降低了患者感染的风险。叶轮转速8 000～12 000转/min，流量约8.5 L/min，可通过人工调节不同档位的转速来控制流量。它可以部分替代心脏功能，增加心输出量。Jarvik 2000人工心脏有2种经皮动力传输系统：经颅骨基底出口(电线经耳后)和经肋骨下出口(电线经腹壁)。前者首次在日本成功应用，患者只需佩戴一个耳挂式连接器，生活质量显著改善，但后者的术后感染风险更低[11-12]。日本的一项多中心回顾性临床研究显示，Jarvik 2000受试者术后1年生存率为85%，2年生存率为79.3%，但需要警惕主动脉关闭不全[13]。其他常见并发症包括出血、感染、中风和设备故障等。与HM2相比，使用Jarvik 2000的患者术后感染的风险更低[12]。

2.3 第三代 LVAD

第三代可植入式离心泵有HM3、HeartWare LVAD(HVAD)等，采用全磁悬浮叶轮，通过电磁场使转子悬浮在中央，当叶片转动时带动血液流动。其优点是可以减少磨损，降低溶血的风险，提高耐久度，减少电源消耗[14]。

HVAD人工心脏于2012年获得FDA批准用于BTT，目前在全球56个国家/地区应用，治疗了约18 000例患者[15]，使用寿命至少10年。HVAD人工心脏采用宽叶片和较低转速(16 000～28 000转/min)，可减少血细胞损伤。该装置体积小，其流入道与泵体整合为一体，可通过侧面胸廓切开术完全地置于心包腔内，流出道包含一段可消除应力作用的拉力圈，通过锁线缝合固定于左室心尖部，然后向上与升主动脉吻合，吻合处直径为10 mm。它的优点有体积小、流量大(最大约10 L/min)、手术侵入性小、耐用性高、电源效率高和溶血风险小等[13, 16]。患者术后半年和1年生存率分别为91%和84%，生活质量显著提高，不良事件发生率低[17-18]。多中心、前瞻性、非随机单臂的ReVOLVE研究分析254例登记使用HVAD的心衰患者资料，进一步证实了其安全性和有效性[19]。随机对照的ENDURANCE试验将446例心衰患者按2∶1随机分配到HVAD组和HM2组，主要终点为2年内无致残性卒中或设备因故障而移除等。HVAD组中到达主要终点的患者有164例，轴流泵组85例，即离心泵HVAD相对于轴流泵HM2具有非劣性，其中HM2组设备故障发生率较高，而HVAD组脑卒中发生率较高，在生活质量和功能改善方面组间无显著差异[20]。

HM3人工心脏于2015年获得欧盟CE认证用于长期或短期循环辅助治疗，于2017年获得FDA批准作为BTT短期应用，于2018年获FDA批准作为DT终身佩戴。HM3人工心脏流入道位于左心房内，流出道与左锁骨下动脉吻合。它虽属于连续流泵，但可以通过定期改变转速产生搏动流，形成固有脉冲，防止血液滞留于左心室内，避免发生主动脉瓣功能障碍。无轴承设计和内表面肽微球结构形成的生物屏障，可以有效避免血栓形成[21]。HM3的并发症包括胃肠道出血、脑卒中、右心衰、传动系统感染、流出道血栓形成等。前瞻性、多中心、单臂的CE标志研究共纳入50例心衰患者，随访6个月时患者生存率达92%，无溶血、泵血栓形成和设备故障等，1年后患者心功能和生活质量显著提高[22-23]。前瞻性、多中心、随机对照的MOMENTEM3试验将294例心衰患者按1∶1随机分配到HM3和HM2组，研究主要终点是6个月内无致残性卒中或因设备故障需再次手术移除等[24]。HM3组达主要终点131例，HM2组109例，表明HM3不劣于HM2，且HM3组患者术后出现卒中、设备故障、泵血栓形成的风险显著降低[25]。

2.4 新型LVAD

连续流泵虽然已经证实可以显著改善心衰患者的生存率[26]，但应用过程中可引起患者血管性血友病因子降解、血小板激活和亚临床溶血等，进一步导致血栓形成、出血和脑卒中等严重并发症。

Windmill toroidal VAD(TORVAD)是一种容积式环流泵，通过两个可旋转活塞产生搏动性血流。与第一代老式搏动流泵相比，TORVAD内部无人造隔膜和瓣膜等结构，因此它的体积更小，不易磨损；与第二代连续流泵相比，TORVAD可模拟自然心脏搏动性，在提高心输出量的同时维持主动脉瓣血流量，改善血液相容性，尽可能减小相关不良事件发生的风险。它的核心组件是1个30 mL的环形心室腔，由钛合金流入道连接到左室心尖部，流出道材料为聚四氟乙烯，直径为14 mm。该设备可经导线外接动力传输系统和心电图等。体外实验表明，当TORVAD的转速达144转/min时，泵出的血流量可达到4.3 L/min，平均压力可达72 mmHg[7]。目前尚无关于TORVAD安全性和有效性的临床试验。

2.5 TAH

TAH是目前唯一可进行双心室辅助的植入式MCSD，可在右心衰或全心衰患者中发挥重要作用。70cc SynCardia是世界上首个、也是目前唯一获得FDA许可和商业认证的TAH，只适合BSA>1.7 m2的患者。它是一种气动搏动流人工心脏，由2个半刚性聚氨酯心室和4个人工瓣膜构成，植入需要切除自然心室，左右人工心室分别与肺动脉和主动脉连接(见图1)。传统的设备需外接气动泵提供动力，属于部分植入式MCSD，新的便携式驱动器则可实现患者在家中或门诊进行后续治疗。此外，尺寸更小的50cc SynCardia则适合BSA较小的女性或儿童患者使用。患者的移植成功率约为79%，术后1年生存率可达70%[27]，用于双心室衰竭患者BTT的有效率为79%[28]。SynCardia TAH的常见并发症包括脑卒中、出血、感染、血栓形成、肾衰竭、慢性贫血等，其中感染是影响患者生存时间的主要因素[29]。

图1 SynCardia全人工心脏(摘自www.SynCardia.com产品页面)

Carmat是一种电-液驱动的搏动流泵，是首个可进行自主调节的生物假体TAH。它包含2个心室腔，由隔膜分开，隔膜采用生物材料，由去细胞的牛心包组织构成，可降低血栓风险，术后甚至无需抗凝[30]。但是，这种生物隔膜可能影响泵的使用寿命。此外，Carmat采用经皮能量转移(TET)技术，避免了皮肤屏障破坏，从而消除传动系统的感染途径，降低术后感染风险。泵流量为7.3～10.0 mL/min。动物实验初步表明，在不使用抗凝剂时，该泵早期(10 d)血液相容性较好[31-32]。

ReinHeart的设计以DT为目标，是一种可植入式搏动流泵，由两个人工心室腔和线性驱动器构成。动物实验中，该泵的流量可稳定到7 L/min，左右心室流量平衡，无血栓形成[33]。ReinHeart采用了生物兼容瓣膜，预期寿命可达5年[34]。

BiVACOR是一个连续流旋转泵，单个磁悬浮叶轮位于左右人工心室之间，两边各有一个叶片，可在左右心室产生独立的血流。该装置可根据负荷量改变轴向位置，模拟Frank-Starling现象。BiVACOR的预期寿命约为10年，适用于BSA较小的患者。动物实验中，BiVACOR流量稳定在10 L/min，可适应机体的新陈代谢而进行自动调节，具有良好的应用前景[34]。

3 短期机械辅助循环设备

3.1 IABP

IABP的工作原理是将球囊经股动脉穿刺置于胸降主动脉，球囊在心脏舒张期时充气，以增加舒张压，使冠状动脉的血流灌注增多，球囊在收缩期时放气，以减小后负荷，增加心排血量，从而降低前负荷，减少心肌做功。IABP适用于急性心衰的临时治疗，优点是易于实施且并发症少，但是IABP依赖于左心室功能和稳定的心电活动，提供的心脏支持时间和流量有限(1.5 L/min)，不适用于严重的心衰患者。

3.2 ECMO

ECMO是国内儿童及成人急性心衰和低心排患者进行短期循环支持最常用的MCSD。它的原理是经外周动静脉插管，将静脉血在体外经过膜式氧合器进行氧合，然后用泵将血液注入体内以替代心肺功能，促进心肺器官功能恢复。ECMO适用于心脏移植手术体外循环或急性心肺衰竭的抢救。它的优点是插管操作简易，无需切开心脏，可床旁进行，而且能同时辅助心肺功能。常见并发症包括肢体缺血、脑卒中、急性肾损伤、心包压塞、严重感染等。

3.3 经皮心室辅助装置

经皮心室辅助装置(pVAD)适用于需要机械辅助，但因严重心源性休克等原因术中无法进行体外循环的患者，可在经皮冠状动脉介入术(PCI)中使用。它的优点是植入创伤小、无需体外循环以及操作简单便捷等。pVAD后可以迅速改善血流动力学参数，降低手术风险。IABP虽然无法降低患者的短期死亡率，但可以改善远期预后。

Impella是一种微型轴流泵，从股动脉插入，经升主动脉到达左室心尖部，将来自左心室的血泵入主动脉。包括多种型号，如Impella 2.5、Impella 5.0、Impella 5.5等。并发症包括血栓形成、出血、溶血和卒中等，患者半年死亡率为60.7%[35]。目前Impella通常用于急性心肌梗死后心源性休克患者的短期治疗。对于病情稳定的心源性休克患者，它不仅无法进一步改善患者的血流动力学参数，还会增加出血的风险[36-37]。前瞻性、多中心REVOCER RIGHT研究纳入了30例接受Impella RP治疗的右心衰患者，包括18例LVAD后右心衰患者和12例心脏手术后或心肌梗死后右心衰患者，主要终点为生存30 d或出院，同时评估其安全性和有效性，研究发现Impella可迅速改善患者的血流动力学，平均支持期为3 d，患者的30 d生存率为73.3%[38]。前瞻性、多中心随机对照的PROTECTⅡ研究将452例处于PCI围术期的高危心肌梗死患者按1∶1随机分配到IABP组和Impella 2.5组进行治疗，虽然两组30 d不良事件发生率无显著差异，但随访90 d时Impella组患者的重大不良事件显著减少，预后更好，生存率得到显著改善[39-40]

TandemHeart是一种经皮穿隔膜的心室辅助装置，由离心泵、动脉导管、隔膜导管组成[41]，最高转速为7 500转/min，流量为4 L/min。可在无需麻醉和手术的情况下经股静脉、房间隔到达左心房，降低左心负荷，平均操作时间为45～60 min。该装置可用于BTR或BTT，直到心脏恢复或植入长期 MCSD。与IABP相比，TandemHeart可显著提高患者的心脏指数和平均动脉压，但两者短期存活率和不良事件发生率无显著差异[41]。

4 小结与展望

MCSD目前已经普遍应用于终末期心衰患者的治疗。LVAD常用于治疗左心室衰竭。第一代搏动流LVAD因复杂、笨重、易发生故障等原因已经逐渐被淘汰。第二代连续流LVAD虽延长了使用时间、缩小了体积，改善了心衰患者的生存率，但并发症多，尤其是血液相容性较差。第三代LVAD采用了全磁悬浮技术，提高了血液相容性，可显著缩短住院时间，降低患者生存率，改善患者的生活质量，但传动系统感染、LVAD相关的右心衰[5]等问题仍待进一步解决。

TAH常用于右心衰和全心衰患者的治疗。传统的SynCardia面临着生物相容性差、感染和钙化等挑战，使用受限。新型TAH各有各的创新点和优势，如Carmat利用牛心包组织材料改善了生物相容性，ReinHeart可用于DT，耐久度高，BiVACOR采用连续流设计，可根据新陈代谢自动调节流量等。

磁悬浮技术、TET系统、生物相容材料等为传统MCSD的改良提供了新的思路。由于心脏供体短缺，终末期心衰患者的数量逐年增加，DT有望成为MCSD治疗终末期心衰的主要应用策略。因此，便携、静音、无创、智能调节、生物相容、血液相容、耐久度高、适用人群广等应是所有新型MCSD的共同发展目标。终末期心衰的机械辅助循环治疗还需要多学科合作，以期最大程度改善患者的生存率和生活质量。