Albert Starr(1926-2024):心脏瓣膜置换史上的樱花绽放时刻

学术   2024-12-27 18:14   上海  

导读:世界著名的心脏外科先驱、拉斯克基础科学奖获得者阿尔伯特·斯塔尔(Albert Starr)教授于12月11日去世,享年98岁。斯塔尔教授是人工心脏瓣膜的发明者,这为医学做出了巨大贡献,并挽救了无数患者的生命。在其50多年的职业生涯中,斯塔尔教授进行了数千例心血管外科手术,他完成了全球首例人工二尖瓣、三尖瓣置换术,以及首例三瓣膜置换术。


心外时空特编译斯塔尔教授2010年在The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery上发表的文章,讲述了发明二尖瓣球笼瓣艰难的过程,以此悼念这位伟大的先驱。


阿尔伯特·斯塔尔教授/图源:俄勒冈健康与科学大学

创新通常是跨学科和科学界限多种元素的结合,而非偶然发现一些新的基础知识。人工瓣膜也不例外,它是我(当时我还是非常年轻的心脏外科医生)和年长的退休机械工程师洛厄尔·爱德华兹(Lowell Edwards)密切合作的成果(图 1)。

图1 Lowell Edwards和Albert Starr



二尖瓣球笼瓣的诞生

那是 1958 年,我们在俄勒冈州波特兰市的临床心脏直视手术项目正处于起步阶段。我们有一个活跃的动物实验室,可以承担研发项目。爱德华兹想研发人工心脏,我建议从二尖瓣人工瓣膜开始,每次研发一种人工瓣膜。当时已经有了单独的主动脉瓣叶,但二尖瓣疾病是一个巨大的、悬而未决的问题。我们从汇集知识开始,将已知的信息进行了盘点。我们不需要真正发明一款瓣膜,我们只需要找到最好的材料和合适的几何形状。当时只有几种材料可用于人体植入:用于人工血管的涤纶和特氟隆;用于脑积水分流器的硅橡胶;用于降主动脉赫夫纳格耳瓣膜的丙烯酸;以及用于骨科的不锈钢和钴基合金司太21。在动物身上使用时,有这些启动问题:

  • 这些材料能否作为耐用移植物用于瓣膜结构中?

  • 能否用缝合技术植入该装置?

  • 腱索对于左心室功能是必需的吗?

  • 如果将一个刚性装置连接到瓣环上,阻止瓣环收缩,左心室功能是否会受损?

  • 能否在跳动的心脏中实现牢固持久的固定?

  • 瓣膜的功能是否会受到血栓的干扰?


动物实验后,从动物到人体还有其他问题需要解决。

第一批瓣膜形态是硅胶瓣叶安装在刚性特氟隆O形环中,并用单层涤纶布包裹瓣膜边缘(图2,A)。我们对动物手术本身有一个短暂的学习曲线,然后实现了可预测的几天存活,直到发生血栓阻塞和瓣膜部分裂开,或两者兼而有之(图2,B)。左心室功能良好,我们很早就知道刚性装置可以代替更灵活的活体结构。瓣膜部分开裂经常发生,我们通过重新设计和缝合瓣环解决了这一问题。通过多层特氟隆布作为缓冲,我们实现了完美的对合。为了提高稳定性和纤维内生长,我们尽可能扩大了瓣膜对合区域(图2,C)。我们现在只面临早期血栓形成的问题。血栓形成于缝合处的心内膜损伤区域,无论如何植入瓣膜,血栓都会直接延伸生长到瓣叶上(图 2,D)。
图 2 植入前的瓣叶型瓣膜(A、C)和植入后形成血栓的瓣膜(B、D)。
下一个合乎逻辑的步骤是完全不用瓣叶,而使用可移动、可浮动的提升阀芯作为球笼状瓣膜。这将动物存活时间从 2 天延长到大约 1 个月。出乎意料的是,有一只狗存活了很多年。现在,我们可以观察到健康的动物在因血栓闭塞而猝死之前一直保持着良好的心功能。
在唯一幸存狗的鼓励下,我们将植入速度保持在每周 2 到 3 只,但还是陷入了僵局。最后,1960 年 2 月,当我跑上俄勒冈大学医学院研究大楼的楼梯时,看到入口处美丽的樱花,我的思绪飘忽不定,突然间我灵光一现——为什么不在缝线上覆盖一个可伸缩的硅胶防护罩,以防止血栓生长到瓣膜口呢?这成功了!我们很快有了一窝快乐的狗,其中一只还舔了来访的心内科主任的手。
我计划在接下来的几年里对这些狗进行研究,寻找晚期并发症,如血栓栓塞、溶血性贫血和感染。但心内科主任赫伯特·格里斯沃尔德(Herbert Griswold)和外科主任伯特·邓菲(Burt Dunphy)都坚持让我们开始人体植入。


从动物到人体

从动物到人体,我们现在面临着一系列新的问题。食品药品监督管理局(FDA)并未参与植入式装置的研究,也没有相关指导方针。我们只能自行设计临床试验。

我们的第一步是成立一个跨学科团队,负责选择接受手术患者并提供术后持续护理。团队成员包括心内科医生、麻醉科医生、肾脏科医生、血液科医生、神经科医生,甚至还有一名精神科医生。

最初只有患有顽固充血性心力衰竭的高危患者才会被选择实施手术。我们没有重症监护室,但为了这个项目专门开设了一个。大多数患者需要长期呼吸支持,但由于没有可长期使用的留置气管插管,我们不得不切开气管,并使用特殊的容量转换呼吸机。为了这个项目,我们动员了整个医学院的教职员工。

我们不得不选择一种手术方式,先后尝试了左侧开胸、右侧开胸,最终选择了正中开胸。

除此之外,我们还有伦理问题需要解决。书面知情同意书在当时还不是常规做法。我们自己写了一份。此外,我们还承诺对患者进行终生随访,并进行可靠的统计分析。爱德华兹当时是手工制造瓣膜,此时必须成立公司并解决责任问题。他必须为继续改进和测试瓣膜的耐用性做好准备。

最大的问题是第一位患者选择哪种瓣膜。是应该使用在 50 多只狗中只有 1 只实现了长期存活的简单球笼瓣膜,还是应该使用在 80% 的病例中可预测长期存活的硅胶防护球笼瓣膜(图 3)?我们并没有根据委员会共识做出这一决定。我自己考虑了这个问题,并决定在第一次植入时使用简单装置。当时的想法是:如果我们从简单的装置开始,并且它有效,我们就不必使用更复杂的瓣膜。如果它不起作用,我们就可以改用更复杂的瓣膜。

图3 最初的球笼瓣膜(左)带防护球笼瓣膜


但是,如果我们一开始就使用更复杂的瓣膜,并且它植入成功了,那我们怎么知道简单的瓣膜也能成功呢?因此,我们决定从简单的瓣膜开始,而防护式球笼瓣,尽管它在实验动物身上极具吸引力并为我们在人类身上的工作奠定了基础,却从未在人体植入过。

第一位患者当时已经住院,在经历了两次修复手术后,出现了充血性心力衰竭。她当时 33 岁,于 1960 年 8 月 25 日接受了手术。

她的左心房严重扩张,几乎充满了右胸腔。我们为她植入了一个简单的球笼瓣,就像当时为唯一的幸存狗植入一样。患者手术比狗的手术更简单,到了中午,她就被送回了麻醉清醒室,现在这里已经改成了重症监护室。心内科主任用听诊器听她的瓣膜。他俯下身,听诊器放到患者的胸部时,我看到他的胡子在颤抖。他只说了一句“干得好,艾尔”。
当天晚上,我们让患者坐起来接受便携式胸部 X 光检查。X 光片显示右胸腔内有气液平面,放射科医生认为气液位于胸膜腔内,我们认为那是肺部外的一小块血液和空气。当晚晚些时候,她表示想右侧卧。当我扶着她时,她喘息着突然死在了我的怀里。不幸的是,气液平面就在心脏内部。死因是大量空气栓塞。我对自己发誓,决不让这种事情再次发生,当晚我才得以入睡。

不到一个月后,1960 年 9 月 21 日,我们为第二位患者进行了手术,他是一名 52 岁男性。他之前也曾因二尖瓣狭窄钙化尝试过两次修复手术。他很轻松地活了下来,只出现了 1 种并发症——暂时性黄疸,原因不明但可能是麻醉毒性引起的。
我们继续进行瓣膜植入手术,每月大约有2名患者接受手术。手术死亡率从 1960 年的约 50% 下降到 1965 年的不到 10%(图 4)。早期的问题是人工瓣膜心内膜炎。然而,通过重新设计手术室的无菌技术,并将患者和团队都视为潜在的葡萄球菌携带者,我们几乎消除了早期感染。我们的第一期报告于 1961 年春季递交给美国外科协会,并发表在《外科年鉴》上。在美国胸外科协会春季会议上也做了类似的汇报。国际同行对此非常感兴趣,现在我们有义务在许多其他医疗中心进行临床试验,爱德华兹密切关注他们的结果以及我们自己的结果。

图4 二尖瓣植入当年的手术死亡率

1960 年,爱德华兹实验室(现在的爱德华生命科学公司)在加利福尼亚州成立,我们能够根据自己的经验迅速改进装置。

加速疲劳试验表明,人工瓣膜可使用超过40年而不会损坏。所有设计修改都考虑了爱德华兹在我们早期的动物实验中测量的血液润滑性。一个主要的设计约束是确保球与笼子的接触力永远不会超过血液作为润滑剂所允许的力。红细胞存活率会降低,但不足以引起溶血性贫血,除非发生瓣周漏。因此,从某种意义上说,人工瓣膜可以伤害红细胞,但不会伤害自身。二尖瓣人工瓣膜发展的各个阶段的一个主要目标是减少暴露在血液中的金属材料量,因为金属表面的血栓可能脱落并产生栓塞事件。我们花了6年时间,经过多次连续的修改才完成最终设计(图 5)。

图5 1960年至1966年间Starr-Edwards二尖瓣的改进



主动脉瓣球笼瓣应运而生

我们在美国胸外科协会会议上演讲后,我去拜访了德怀特·哈肯(Dwight Harken),观看了主动脉瓣置换术,并意识到如果有良好的工程技术支持,他的装置可以得到极大的改进。我们启动了一项快速项目,修改二尖瓣设计,将其作为主动脉瓣。缝合框架组件从瓣膜向下延伸,更适合主动脉瓣环。支柱数量减少到 3 根,这样它们就可以与原生瓣膜的对合处对齐。这有助于降低支柱上的血栓进入远离瓣膜对合处的冠状动脉口造成栓塞的可能性。它还允许在植入过程中取出球,以便更好地观察植入部位,并在瓣膜缝合到位后重新放入。我们首次使用主动脉瓣的临床经验是在 1961 年 9 月。
我们有了主动脉瓣以后,多瓣膜置换术就成为可能。当时还没有现在的心脏停搏液,我们使用纯冷血液,通过手持插管间歇灌注冠状动脉口。1963 年,我们进行了首例三瓣膜置换术,并在当年的美国胸外科协会会议上放映了手术视频,赢得了满堂喝彩。这仅仅是个开端,接下来的工作非常有趣,另外的文献中也有详细记载。


原文标题

A cherry blossom moment in the history of heart valve replacement


作者

Albert Starr, MD


期刊

The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery 2010


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