Artificial Heart

何世紀もの間、心臓の機能不全は迅速でしばしば苦痛を伴う死を意味しました。二十世紀半ばまでに、高度な外科手術によって一部の心臓疾患は修復できるようになりましたが、不可逆的な末期心臓病の患者にとって、予後は依然として絶望的でした。ドナー心臓の需要は供給をはるかに上回り、数えきれないほどの患者が希望を失っていました。医療界は、人間の体内で最も重要な臓器をどのように置き換えるかという、乗り越えられない課題に直面していました。 「人間の心臓は工学の驚異だ」と、人工臓器研究の先駆者であるウィレム・コルフ博士は、研究室で同僚のクリフォード・クワンゲット博士に語りました。「その複雑な心房、弁、筋肉の舞い—流体力学と生物学の繊細なバランス—は信じられないほど複雑だ。我々はただ血液を送り出すだけでなく、生命そのものを模倣しようとしているのだ。」クワンゲット博士は、試作の血液ポンプを調べながら、深く頷きました。「そして素材だよ、ウィレム。血液が拒絶せず、壊滅的な血栓や感染症を引き起こさない表面をどうやって作るか？それが核心の問題だ。」

心臓移植や人工心臓技術が登場する以前、重度の心不全患者は容赦なく生活の質が低下していくことに直面していました。弱って肥大した心臓は、酸素を豊富に含んだ血液を全身に十分に送り出すのに苦労し、慢性的な疲労、息切れ、むくみにつながりました。生命は息をするための日々の闘いとなり、重要な臓器が不十分な血流に苦しみ始めるにつれて、ゆっくりと寝たきりになっていきました。長期的な解決策はなく、症状を管理するだけでした。 「窓まで歩くだけでも、毎日マラソンを走っているような気分です」と、目に見える体液貯留のある患者が、無菌の病室で心配そうな医師に、声を震わせながら言いました。四十代後半の、優しくも沈痛な表情の女性医師は、彼の腕に手を置きました。「デイビスさん、あなたの心臓はとても頑張っています。薬でできることはすべてやっていますが……従来の治療法で達成できる限界に達しました。本当にあなたの人生を取り戻すためには、もっと何か、革命的なものが必要です。」患者はため息をつき、目を閉じました。彼の病状の重さが明らかでした。「ただ、また楽に息をしたいだけです。」

二十世紀初頭から中頃にかけて、抗生物質から心臓外科手術に至るまで、医療の進歩はヘルスケアの多くの分野を変革しました。しかし、患者自身の心筋が根本的に破壊された場合、科学は壁にぶつかりました。心臓移植は画期的なものでしたが、適切なドナー臓器の不足と、免疫拒絶反応を防ぐという途方もない課題によって、その適用は厳しく制限されていました。機械的な代替品、すなわち「人工心臓」は、何千人もの人々にとって唯一考えられる答えであり、とらえどころのない夢となりました。機能的かつ生体適合性のある装置を作るという複雑さは、依然として困難な科学的フロンティアでした。 「ドナー心臓の需要は、常に重くのしかかる負担です」と、著名な心臓外科医であるマイケル・ドゥベーキー博士は、一九六〇年代後半の緊迫した医学会議で同僚たちに打ち明けました。「移植の恩恵を受けられるかもしれない患者一人に対し、待機リストには百人もの患者がいて、彼らの時間は刻一刻と過ぎています。私たちには、十分な生存可能な臓器が単純にないのです。」別の外科医であるエイドリアン・カントロウィッツ博士は、こう付け加えました。「そして、たとえ適合する臓器が見つかったとしても、免疫抑制との生涯にわたる闘い、拒絶反応のリスク…それは一時的な猶予であり、治療ではありません。私たちは代替策を見つけなければなりません。偉大なローマの哲学者セネカがかつて述べたように、『物事が困難だからといって、私たちが敢えてしないのではない。私たちが敢えてしないから、物事が困難なのだ。』私たちは、生体適合性の困難にもかかわらず、機械的な心臓を創造することを敢えてしなければなりません。」

人工心臓という概念は、たった一度のひらめきから生まれたのではなく、何十年にもわたる絶え間ない実験を通じて進化してきました。第二次世界大戦中に人工腎臓を発明したことで既に有名だったオランダの医師、ウィレム・コルフは、一九五〇年代にその並外れた知性を心臓へと向けました。彼は、腎臓の機能を機械的に置き換えられるのであれば、心臓もまた再現できるはずだと信じていました。彼の初期の仕事は初歩的なもので、しばしば単純な空気駆動ポンプと基本的な材料が用いられ、将来の画期的な進歩の基礎を築きました。 「我々の最初の試みは粗雑だった、そう、しかし、そこに関わる力を理解するためには不可欠だったのだ」と、コルフ博士は賑やかな研究室で若い研究助手に説明し、不格好な透明なプラスチック製のチャンバーを指差しました。「我々は、圧力、容量、そして血液循環の純粋な力学について、かけがえのない教訓を学んだ。例えば、この基本的なポンプは、圧縮空気を使って柔軟な膜を押し、心室の収縮を模倣しているのだ。」髪を後ろで結んだ熱心な女性の助手は、猛烈な勢いでメモを取っていました。「では、空気は本質的に血液を絞り出すのですね？」と彼女は尋ねました。「その通りだ」とコルフは確認しました。「しかし、課題はただポンプで送ることだけではない。繊細な血球を傷つけることなくそれを行うことなのだ。」

機能する人工心臓への道のりは、工学と生物学の両面で多くの困難を伴いました。単にポンプを作るだけでなく、発明家たちは異物に対する人体の敵対的な反応にも対処しなければなりませんでした。ほとんどのプラスチックや金属に接触すると血液細胞が凝固し、危険な閉塞を引き起こす可能性がありました。また、材料は劣化することなく何百万回ものポンピングサイクルに耐える十分な耐久性がありながら、自然な心臓の動きを模倣できる十分な柔軟性も必要でした。これらの解決には、材料科学と生体機械工学の両方における革新が求められました。 「問題は、ただポンプを作るだけではなく、体内で生きられるようにすることだ」と、コルッフ博士と協力していた生体工学者のドン・オルセン博士は、クリーンルームで材料科学者のチームに強調しました。彼は医療グレードのプラスチックの小さく滑らかなサンプルを手に持ちながら、「完全に不活性で、体が自分の一部として受け入れる表面が必要だ。あらゆる粗い縁、あらゆる化学的不純物が、壊滅的な免疫反応や血栓形成を引き起こす可能性がある」と述べました。太いひげと安全メガネをかけた材料科学者が、「シリコーン、ポリウレタンなど、数え切れないほどのポリマーをテストしてきました。柔軟性、耐久性、生体適合性の理想的な組み合わせはまだ見つかっていませんが、近づいています。血液をだまして、まだ自然な血管の中にいると思わせるような、新しい表面コーティングを実験しています」と答えました。

数十年にわたる概念的な研究は、ウィレム・コルフのもとユタ大学でロバート・ジャービックが設計したジャービック・セブンで頂点に達しました。以前のデザインを基に、ジャービック・セブンは人間の心臓の二つの下部腔を置き換えるように設計された、二心室拍動型ポンプでした。その革新性は、空気圧を使って柔軟なダイヤフラムを作動させるという簡素化されたデザインと、滑らかなポリウレタンと特定の種類の生地を組み合わせた素材の選択にありました。この生地は組織の生着を可能にし、凝固の問題を軽減しようと試みたのです。 「重要な洞察は、ポンプ機構を簡素化することでした」と、眼鏡をかけ黒髪の決意に満ちた若いエンジニアであるロバート・ジャービック博士は、ジャービック・セブンの詳細な図を指しながら、外科医のグループに説明しました。「各心室は空気駆動のダイヤフラムを使用し、血液を押し出し、その後収縮して血液を引き込みます。これは心臓の自然な拍動流を模倣しています。真の課題は、体の防御反応を引き起こすことなく耐久性を達成するために材料を改良することでした。」透明なプラスチックモデルを調べていた外科医が尋ねました。「空気は外部から供給されるのですか？」「その通りです」とジャービックは確認しました。「大きな外部コンソールに接続されたチューブを介して供給されます。理想的ではありませんが、初期の長期サポートには必要な妥協点です。」

ジャービック・セブンは、心臓のポンプ機能を完全に代行するように設計された完全人工心臓として機能しました。これは、左心室用と右心室用の二つの主要な部品で構成されていました。各部品には、血液室と空気室を隔てる柔軟なポリウレタン製ダイヤフラムが収められていました。大型のコンソールによって制御される外部の空気圧が、周期的に空気室に送られました。この圧力によってダイヤフラムが内側に押し込まれ、血液が心臓から動脈系へと送り出されました。圧力が解放されると、ダイヤフラムは反動で戻り、体内の静脈系からデバイスへと血液が流れ込み、心臓の自然なポンプサイクルを再現しました。 「この精密なメカニズムを見てください」と、主任生体医工学技師が、稼働中のジャービック・セブンのデモンストレーションユニットの前に立つ新しい技術者に指示しました。模擬血液の入った透明なタンクに浸されたユニットは、目に見えて脈動していました。「コンソールから供給される圧縮空気がこの吸気口に入り、ダイヤフラムを内側に押し込みます。この動作は、反対側の心室と同期して、血液を大動脈と肺動脈に送り込みます。」きちんとしたポニーテールの若い女性技術者は、熱心に見ていました。「それで、空気は排出されるのですか？」「その通りです」と技師は確認しました。「ダイヤフラムが弛緩し、流入弁が開いて血液が引き戻されます。このリズム、およそ毎分七十拍で、循環が維持されます。最適な性能を確保するために、圧力と流量を常に監視しています。」

一九八二年十二月二日、記念すべき医療イベントにおいて、ウィリアム・デブリース医師は、ユタ大学医療センターで、六十一歳の引退した歯科医であるバーニー・クラーク氏にジャービック・セブンを移植しました。重度の心筋症を患っていたクラーク氏の余命はわずか数日と宣告されていました。七時間に及ぶ手術は技術的には成功し、永久人工心臓によって人間の生命が維持されたのはこれが初めてでした。しかし、その勝利は短命に終わりました。重度の血栓や感染症といった重大な問題が発生し、一連の脳卒中や臓器不全を引き起こしたのです。クラーク氏は百十二日間生存し、人間の回復力とデバイスの可能性を示す証となりましたが、同時に生物学的な途方もないハードルの厳然たるリマインダーでもありました。この深い経験は、単に血液を送り出すだけでは不十分であり、機械と生物学の間のインターフェースが最も重要であることを医療コミュニティに教えました。 「手術自体は完璧で、工学と外科的スキルの勝利でした」と、執刀医であるウィリアム・デブリース医師は、術後に集まった沈痛な面持ちの医療チームに、疲労困憊の表情で語りました。「バーニー・クラーク氏の心臓は機能不全に陥っていましたが、今、ジャービック・セブンが血液を送り出しています。しかし、研究の初期に議論したように、異物に対する身体の反応が最大の敵であり続けています。積極的な抗凝固療法にもかかわらず、血栓塞栓症の初期兆候が見られます。コルフとクワン・ゲットが語った生物学とメカニズムのデリケートなバランス、つまり表面を血液適合性にするという課題は、信じられないほど難しいことが証明されています。」別の外科医が付け加えました。「確かに、合併症は深刻です。医学の父であるヒポクラテスが述べたように、『技術は長く、人生は短く、機会は束の間、実験は危険、判断は難しい』。私たちは機会を捉えましたが、危険な実験は、身体の複雑な防御機構について厳しい教訓を与え続けています。」

ジャービック・セブンは画期的ながら、合併症発生率の高さから最終的に使用が制限されました。しかし、その遺産は集中的な研究を促しました。焦点は完全人工心臓から、心臓全体を置き換えるのではなく、機能不全の心臓を補助する小型ポンプである心室補助装置（VAD）へと移行しました。これらの装置は、当初は一時的な補助として、その後は長期使用のために用いられ、患者は移植を待つ間、あるいは恒久的な「最終治療」として何年も生きられるようになりました。素材、小型化、連続流設計における技術的進歩は、転帰を劇的に改善し、これまでにない移動性と生活の質を提供しました。 「完全置換から補助装置への進化は極めて重要な瞬間でした」と、著名な心臓外科医であるエミリー・チャオ医師は、近代的な診療所で研修医に説明しました。「VADは状況を一変させます。心臓全体を置き換えるのではなく、その機能を補強するのです。この患者のX線を見てください」と彼女は、小型の埋め込み型装置を示す画面上のデジタル画像を指差しました。「連続流ポンプであるハートメイト・ツーは、生活の質を劇的に向上させます。患者は病院を退院し、自宅に戻り、何年も生きることができます。小型化、材料の生体適合性の向上は、初期のジャービック・セブン設計と比較すると驚くべきものです。」集中した表情の若い研修医は頷きました。「つまり、侵襲性が低く、リスクも少ないということですか？」チャオ医師は「その通りです。そして、はるかに優れた生活の質です。これらの装置は、患者にかけがえのない時間を与えているのです」と確認しました。

人工心臓は、初期の実験的な試作品から洗練された埋め込み型デバイスへと進化する過程で、病気を克服しようとする人類の絶え間ない探求を映し出してきました。より耐久性があり、完全に生体適合性のある材料の必要性、外部接続なしで完全に埋め込み可能なシステムの必要性など、課題は残っていますが、人工心臓とその子孫であるVADは、心臓治療の状況を一変させました。何百万もの命が延び、生活の質が劇的に向上しました。ウィレム・コルフとその後継者たちの当初の大胆なビジョンは、今も力強く鼓動しており、心不全が避けられない終わりを意味しない未来を約束しています。 「私たちはここまで来ましたが、これからの道もまだ刺激的です」と、著名な生体医工学エンジニアであるアレックス・チェン博士は、大学の講義中に熱心に述べ、完全に埋め込み可能なワイヤレス人工心臓のコンセプトを示すスライドを見せました。「かさばる外部機器なしで、心不全の心臓がシームレスに置き換えられる未来を想像してみてください。私たちは、自己給電ユニット、血栓を完全に防ぐ高度なバイオコーティング、さらには心臓組織を再生する可能性のある再生医療に取り組んでいます。人類の創意工夫は、限界を押し広げ続けています。」学生が手を挙げました。「では、目標は自然の心臓と区別がつかない心臓ですか？」チェン博士は微笑みました。「それか、あるいはそれ以上です。私たちは模倣するだけでなく、真に生命を延長し、向上させることを目指しています。人工心臓は単なる機械ではありません。それは忍耐と革新の証なのです。」