人工瓣膜置换术

简史

1952年，美国的C.A.胡夫纳格尔将外罩笼架的球型瓣膜（球笼瓣）植入患者的胸主动脉来治疗主动脉瓣关闭不全。1960年，美国的A.斯塔尔与工程师爱德华兹合作，运用改进后的球笼瓣，在原瓣位成功置换了一名风湿性心脏病患者狭窄的二尖瓣，开创了人工瓣膜置换术新纪元。

种类

人体心脏存在四组自然瓣膜，以保证血流在心脏内单向通畅流动而不出现返流。包括两组房室瓣：二尖瓣和三尖瓣及两组半月瓣：主动脉瓣和肺动脉瓣。根据置换瓣膜部位的不同，人工瓣膜置换术相对应可以分为：主动脉瓣膜置换术、二尖瓣瓣膜置换术、三尖瓣瓣膜置换术和肺动脉瓣膜置换术。其中主动脉瓣和二尖瓣瓣膜置换术较为常见，三尖瓣与肺动脉瓣膜置换术应用较少。

适用范围

风湿热、先天性病因、退行性变、自身免疫性疾病和感染等诸多因素均可损害人体心脏瓣膜，导致瓣膜狭窄，使血液通过受阻；或导致瓣膜关闭不全，使血液出现返流。如果瓣膜病损严重而又无法进行修复，为维持心脏生理功能的正常，需要采用人工心脏瓣膜对病损的自体瓣膜进行置换。

材料选择

人工心脏瓣膜（heart valve prosthesis）是可植入心脏内代替心脏自然瓣膜，保证血液单向流动，具有自然心脏瓣膜功能的人工器官。人工心脏瓣膜主要确保在功能上与自然瓣膜相似，而非在形态上与自然心脏瓣膜完全一样。

已研发的主要有三类人工心脏瓣膜：机械瓣膜、生物瓣膜和组织工程化瓣膜（tissue engineered valve）。其中生物瓣膜又包括自体瓣膜（将自体肺动脉瓣移植至其他瓣位）、同种异体瓣膜（主要是指经过冷冻保存处理的人主动脉带瓣管道）、异种支架生物瓣、异种无支架生物瓣和经导管植入瓣膜。临床上使用最为广泛的是机械瓣膜和异种支架生物瓣膜。

机械瓣瓣膜全部采用人造材料制成；异种支架生物瓣膜主要采用猪主动脉瓣和牛心包等材料制作。不论是机械瓣膜还是异种支架生物瓣膜，其基本结构都包括金属瓣架、阀体和缝合环三部分。金属瓣架一般用不锈钢、钛、钴镍合金或其他超硬金属等制成。缝合环是将人工瓣膜缝到人体心脏自然瓣环的部分，由针织材料缝制而成，曾用聚丙烯、涤纶、聚四氟乙烯，还有用碳纤维。

机械瓣膜从最早期的球笼瓣，不断演进发展。经历过碟笼瓣的失败设计，此后发展出以Björk-Shiley、Medtronic-Hall瓣膜为代表的倾碟型机械瓣（俗称单叶机械瓣），和以St Jude Medical瓣膜为代表的双叶机械瓣，过瓣血流形式从最初的周围型血流逐渐进步为接近中心型血流，取得了良好治疗效果。由于阀体和瓣架高度明显降低、瓣叶走行弧度减小，瓣叶开口面积更大，双叶机械瓣逐渐成为机械瓣使用的主流。

1968年，法国的A.卡尔庞捷采用戊二醛技术处理异种生物瓣，使得生物瓣膜耐用性明显提升。此后，异种生物瓣制作又经历了戊二醛低压或零压力固定，以及瓣叶材料防钙化处理等工艺进步，质量进一步改善。异种支架生物瓣膜均模拟人体半月瓣构建，维持了中心性的过瓣血流，具备良好的血流动力特性。

人工瓣膜置换术时使用机械瓣膜或生物瓣膜是一个重要的选择。两者在改善生理功能方面没有大的差异。在抗血栓性上，生物瓣膜显著优异；如不合并心房纤颤等需要抗凝治疗的因素，瓣膜置换术后3～6月就无须继续华法林（warfarin）抗凝治疗。而机械瓣膜必须坚持口服华法林抗凝治疗，并将凝血酶原时间维持在正常人群的1.5～2倍，定期进行监测，以调整用药。如不严格的抗凝治疗，可形成血栓，也可因抗凝治疗过量导致脑出血等危险。但在瓣膜耐用性上，机械瓣膜却更为优良，植入25年后瓣膜需要再次置换率小于2%。生物瓣膜在体内使用6～7年后开始会在瓣膜尖端出现破损和钙化。即使经过技术改进，现有异种支架生物瓣膜在植入体内10～15年后，30%～35%会出现功能毁损。因此患者必须面对植入瓣膜功能毁损后再次手术的风险。

机械瓣膜和生物瓣膜各有长短，临床上主要根据患者的生存预期、对抗凝治疗的耐受能力等具体情况来进行选择。对希望分娩生产的年轻女性和年龄65岁以上的患者，生物瓣膜可以作为首选。对于年轻患者，仍以机械瓣膜使用居多。在西方发达国家，由于瓣膜置换术患者群体的年龄偏大，异种支架生物瓣的使用份额已经超过了机械瓣膜。

操作方法

经胸骨正中切口，利用体外循环辅助，直视下切除病损的自然心脏瓣膜，然后将人工瓣膜在原瓣位固定植入。这是最常用的人工瓣膜植入技术，手术效果确切，但创伤偏大。还可以通过右胸外侧切口、胸骨上段或下段小切口以及胸骨旁切口，来完成瓣膜置换的手术操作。这均属于开放式手术（open surgery）范畴。利用胸腔镜和机器人技术，则可以进一步缩小手术切口，但仍需要使用体外循环辅助的支持。另一技术方法则无须体外循环辅助，在常温下，经导管介入治疗，实现瓣膜植入（置换）。此方法已被成功运用于心脏半月瓣（主动脉瓣和肺动脉瓣）的置换。该技术创伤小，尤其适合于常规开放手术治疗中的那部分高风险患者。

2002年，法国的A.克里比耶成功完成首例经导管主动脉瓣置换术（TAVR或TAVI）。该技术主要以严重主动脉瓣狭窄患者为治疗对象。在X射线及导丝引导下，经外周动脉或者左室心尖部置入携带有TAVI瓣膜的导管至主动脉瓣位，释放固定于金属支架上的牛心包或猪心包制成的TAVI瓣膜来恢复该瓣位的瓣膜生理功能。

根据设计理念不同，现有的TAVI瓣膜分为两大类：以爱德华兹生命科学（Edwards LifeSciences）公司SAPIEN系列瓣膜为代表的球扩式瓣膜，这种瓣膜植入时需要使用球囊扩张来将TAVI瓣膜固定于主动脉瓣环上。以美敦力（Medtronic）公司CoreValve系列瓣膜为代表的自膨式瓣膜，这种瓣膜利用记忆金属的自膨特性来自行扩张、固定并支撑TAVI瓣膜。已有一些自膨式TAVI瓣膜通过采用头端定位和二次释放技术解决了主动脉瓣环定位问题，成功运用于治疗单纯主动脉瓣关闭不全的患者。而肺动脉瓣位的经导管置换瓣膜多采用自膨式瓣膜设计，并已成功运用于法洛四联症根治术后远期出现肺动脉瓣大量返流患者的治疗。

并发症

人工瓣膜置换术存在着各种可能发生的并发症。与其他类型的心脏外科手术一样，可在围术期出现低心输出量综合征、心律失常、神经系统并发症、急性肾功能不全、出血、感染等并发症。发生概率与术前患者的危险因素相关。
①人工瓣膜失功。人工瓣膜植入后可由于瓣叶穿孔、钙化，瓣膜血栓或瓣周组织翳而导致瓣膜狭窄或关闭不全，出现瓣膜失功。机械瓣膜可由于缝线撕脱、血栓形成以及瓣叶组件脱落而导致急性的瓣膜返流或活动受限，从而引发相应的临床表现，需要及时处理。生物瓣膜则常见瓣膜组织随时间推移而逐渐衰败，出现钙化、血栓形成；由于进展时间长，以慢性充血性心力衰竭的表现居多。
②人工瓣膜心内膜炎。人工瓣膜心内膜炎发生率在2%～4%，其中3%发生在术后1年之内。术后1年内出现的人工瓣膜心内膜炎可来源于围术期的污染或者其他原因所致的感染血行播散。手术1年以后出现的人工瓣膜心内膜炎则基本来自血行感染。机械瓣膜和生物瓣膜术后早期人工瓣膜心内膜炎发生率相当，但生物瓣膜远期发生率要略高。机械瓣膜的人工瓣膜心内膜炎易于形成瓣周脓肿，导致人工瓣膜自瓣环处撕脱，形成瓣周漏。而生物瓣膜的人工瓣膜心内膜炎则常表现为瓣叶撕裂与穿孔，与机械瓣相比，更易于出现瓣膜狭窄，瓣周脓肿反而少见。
③人工瓣膜血栓形成。人工瓣膜血栓形成更易见于机械瓣膜，遵从正规的抗凝治疗，术后机械瓣膜血栓形成的概率为每年有0.1%～5.7%的病人。球笼瓣的发生概率最高，而双叶机械瓣最低。在抗凝治疗偏低时，二尖瓣位的机械瓣形成血栓的概率更高。
④机械性溶血导致贫血。瓣膜置换术后，瓣膜组件的工作状态可能导致血液破坏。瓣膜置换术后严重贫血发生率为3%，多见于合并瓣周漏的患者。
⑤抗凝治疗相关并发症。机械瓣置换术后因抗凝相关的出血并发症。患者较重要出血事件发生率为每年1%～3%，次要出血事件发生率为每年4%～8%。

疗效

通过实施人工瓣膜置换术取代病损心脏瓣膜，改善患者血流动力学状况，是已公认有效的心脏瓣膜疾病治疗方法。数百万例的临床实践证明，通过人工瓣膜置换术，患者的寿命得到延长，健康状态显著改善。随着手术技术的改进，人工瓣膜置换术总的手术死亡率已降至3%～5%。世界范围内每年接受瓣膜置换术者超过70万人。即使在大于75岁患者中，人工瓣膜置换术后5年存活率也达70.8%，纽约心脏功能分级由Ⅳ级提高到Ⅱ级者90%以上。
①年龄。高龄者病死率高，年龄大于70岁者术后1年病死率是小于70岁组的2.5倍。
②心功能状况。术前心功能明显减退者，其病死率是正常心功能患者的5～20倍。
③是否合并冠心病。合并严重冠脉病变者（冠脉狭窄大于70%）术后病死率较非冠心病者增高2.7倍。
④合并肺、肝、肾疾患或糖尿病周围血管疾病者预后较差。

人工瓣膜置换术围术期主要死亡原因依次为：心输出量降低、严重室性心律失常、人工瓣心内膜炎、脑部并发症和肾功能衰竭。死亡主要相关因素依次为：心肌保护不满意，心脏阻断时间≥120秒或体外循环时间≥160秒，既往有瓣膜手术史，心胸比率≥0.7，术前纽约心脏功能分级为Ⅲ、Ⅳ级和主动脉瓣狭窄等。

展望

虽然经过了60余年的发展，人工瓣膜置换术仍面临着许多挑战性的问题，需要不断发展前行。

经导管瓣膜植入/置换技术有待进一步完善。这包括两方面的挑战：
①经导管瓣膜置换术在房室瓣位的运用。由于心脏房室瓣膜在结构上与半月瓣不同，现有的经导管瓣膜置换术还难以完成这样的操作，需要有新的设计思路。
②经导管主动脉瓣膜置换术治疗群体的扩大。PARTNERⅡ临床试验结果使得TAVI治疗群体扩大到了中度风险的主动脉瓣狭窄患者，但能否让中、低危主动脉瓣狭窄患者在运用该技术治疗后获得与开放手术一样的良好远期效果，仍有许多不确定因素。同时，TAVI治疗虽然大幅降低了手术创伤，使一些不能耐受常规开放手术的高危患者得到了治疗，但仍有一些极其脆弱的高风险患者，对现有的TAVI手术也难以耐受，因此还需要发展更为微创的治疗方法来救治这部分患者。
③人工心脏瓣膜的研发需要新的突破。临床使用的人工心脏瓣膜还没有达到理想心脏瓣膜标准：优良的血流动力学特性，瓣口面积大，跨瓣压差小，无返流；优异的耐用性和血液相容性，不易形成血栓，无须终身抗凝。组织工程化瓣膜的具体研发过程面临瓶颈，需要在基质材料、种子细胞和培育方式等方面做进一步的探索，而干细胞技术和3D生物打印技术会对该研究方向有所助益。高分子材料科学发展迅猛，通过采用纳米形貌化处理和材料改性修饰技术，制备出具有长久耐用性和优良抗凝性能的高分子材料，并运用于心脏瓣膜领域，将有助于使从20世纪末起就逐渐处于沉寂状态的机械瓣膜研发获得新的突破。