科技 新浪科技 疫情中的救命神器「人工肝」,是怎樣煉成的?

疫情中的救命神器「人工肝」,是怎樣煉成的?

新浪科技 2020-05-22 12:51

原標題:疫情中的救命神器「人工肝」,是怎樣煉成的?

原創 許婧斐 我是科學家iScientist

在對新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)危重症患者的搶救中,發揮重要作用的,除了廣為人知的「救命神器」人工肺ECMO(體外膜肺氧合)外,還有一件低調的「神器」——人工肝支持系統,簡稱為「人工肝」。人工肝可以利用機器代替人的肝臟,行使清除機體的毒素以及細胞因子的功能,還可以補充凝血因子蛋白等身體所需成分。

危重疾病的「希望之星」

新冠肺炎是一種累及全身多系統的感染性疾病,對人身體損害之大、對器官的傷害之嚴重,遠遠超出了醫學從業者的預期。不少患者因為感染導致的過量炎症反應面臨肝臟衰竭的困境。

為了解決患者的需求,2020年2月2日,由李蘭娟院士研發的李氏人工肝系統到達武漢前線。在這套可以代替人體肝臟來清除毒素,清理炎症因子的「李氏人工肝」的幫助下,醫生們僅僅花費9天時間,就使兩名危重症新冠患者成功脫離ICU。

當然,搶救新冠肺炎患者並非人工肝的第一次「出戰」,也不會是最後一次。在現今的重症醫學領域,人工肝早就是搶救危急重症患者的有力武器。

歐洲最常見的引發急性肝衰竭的原因是撲熱息痛中毒,在廣泛引入人工肝治療之後,這些患者的死亡率和避免肝移植的概率均有所下降。而對於其他原因(甚至是不明原因)引起的急性肝衰竭,人工肝同樣可以有效地降低患者的死亡率[1],為患者爭取進一步治療提供寶貴的時間。

在肝衰竭以外的領域,人工肝的成績同樣值得關注。由於人工肝具有強大的解毒特性,因此在治療某些特定毒物(例如百草枯和毒蕈)中毒時,人工肝作為標準治療的輔助手段,可以更快地幫助患者清除體內的毒物、減少器官受毒害的時間。

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肝臟就在胃的上方附近的位置 | GnolizX / Public domain

人工肝是如何工作的?

對臨床擁有如此高價值的人工肝,研發過程不可謂不艱辛。在研發初期,許多患者的情況並沒有得到大幅改善,甚至還要經歷凝血障礙、溶血、感染等副作用。所幸,經歷技術革新后,現代人工肝支持系統已經取得了長足的進步,可以在臨床用於輔助治療多種危重疾病。

那麼現代人工肝背後到底用多麼複雜的機制,又是如何幫助患者脫離險境的呢?

目前臨床流行的人工肝支持系統大致可以分為兩類,一類是以分子吸附再循環系統(MARS)人工肝為代表的系統,一類則是以國內發明的李氏人工肝為代表的系統。

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左邊的機器就是一種人工肝支持系統 | Oscocommons供圖 / CC BY-SA

以MARS人工肝為代表的系統[2],利用白蛋白溶液對患者的血漿進行透析,使毒素被白蛋白溶液吸附,再將血液分別通過含有活性炭和吸附樹脂的灌流器,攔截毒素,最終去除血液中的全部毒素,回輸入患者體內。

MARS系統可以同時清除多種類型毒素,因此在臨床上常用於治療肝衰竭、毒物中毒和多器官衰竭等疾病。不過,由於操作過程繁瑣、需要特殊機器和耗材、治療成本高昂,許多醫療機構無法支持使用這種系統,MARS系統也因此無法進行大規模的臨床使用。

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分子吸附再循環系統(MARS)人工肝的作用原理 | Osco供圖,陳娉瑩漢化 / CC BY-SA

而以國內所發明的「李氏人工肝」為代表[3]的系統,則是將血漿置換引入了人工肝支持系統中。例如在搶救新冠肺炎患者中所使用的「李氏人工肝」,就是先使用新鮮血漿置換將患者體內的毒素先置換出體外,同時利用新鮮血漿補充人體所急缺的多種血漿成分,再將血液通過血液透析、血液灌流、血液濾過等手段,進一步去除血漿置換所無法清除的毒素,從而恢復人體內的代謝平衡[4]。

相比于MARS系統,李氏人工肝支持系統對於新冠肺炎等炎症疾病導致的器官衰竭療效更好,但使用的時候需要大量的血製品,並且在技術上(尤其是不同技術銜接的選擇)也存在諸多門檻,限制了它的應用,使它註定只能成為危急時刻的「救命」手段。

生物人工肝,未來的希望?

無論是MARS系統,還是李氏人工肝支持系統,都屬於非生物型人工肝,雖然可以代替肝臟解毒,但肝臟所具有的其他更精密功能就難以滿足了,比如生物合成功能。因此醫學界一直在嘗試研發性能更佳、更安全的「生物人工肝」。

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一種生物人工肝的原理模型,黃色的為體外生物反應器 | HepaLife版權所有

目前研發的生物人工肝系統,利用體外的生物反應器(一類特殊的可以維持細胞生存的容器)培養肝臟細胞(或肝母細胞瘤細胞),當血液經過特定管路流經這些肝臟細胞時,其中的毒素便會被肝臟細胞代謝並排出,同時補充肝臟細胞合成的物質,最終輸入人體[5]。如此循環,衰竭的肝臟功能可以被生物人工肝系統所完全替代。

儘管目前尚未有正式進入臨床應用的生物人工肝系統,已有部分系統在臨床研究中明顯改善了患者肝功能[5],這些臨床試驗的結果,或將會對生物人工肝系統,乃至整個人工肝支持系統的發展帶來重大影響。

你還知道哪些「科學神器」呢?

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