一个由莫纳什大学主导的研究项目正在重新定义机械心脏支持，针对的是射血分数保留的心力衰竭患者——这一群体数以百万计，但现有治疗手段却极其有限。
射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）长期以来在全球医疗体系中处于尴尬境地：广泛存在但未被充分认识，令人衰弱却缺乏有效治疗。尽管HFpEF患者约占全球6400万心力衰竭患者的一半，但他们无法获得机械循环支持，只能依赖药物治疗或姑息治疗。心室辅助装置（VAD）显著改善了射血分数降低的心力衰竭（HFrEF）患者的预后，但由于HFpEF的生理机制不同，同样的方法无法适用。这种差距促使临床医生和研究人员呼吁开发专门的解决方案。
由莫纳什大学机械工程博士生Nina Langer牵头的一项研究，是首批全面尝试提供这一解决方案的项目之一。她的研究在“人工心脏前沿计划”（AHFP）框架下进行，结合了实验测试、计算建模和临床洞察，探索如何为HFpEF独特的生物力学特性定制一款泵装置。该项目目前正在为澳大利亚最大的心血管工程计划中的下一代设备开发路径提供依据。
“这种主要的心力衰竭类型没有专门的机械循环支持，这意味着超过一半的心力衰竭患者没有机械支持选项，”Langer说。
该研究的动机源于Langer导师团队的专业知识。其中一位导师是专门研究HFpEF的心脏病专家，多年来一直目睹当前疗法的局限性以及缺乏有意义的技术干预。另一位是生物医学工程师，他认识到这一工程挑战，并认为随着科学对该疾病认识的成熟，有可能开发出专门的设备。过去十年，HFpEF病理生理学的进展终于为靶向治疗开发创造了机会。
HFpEF在历史上研究关注度落后于HFrEF，部分原因是其诊断更为复杂，且常与多种合并症共存。直到最近，机制上的不清晰使得设计超越症状控制的疗法十分困难。如今，有了更坚实的科学基础，研究人员可以寻求针对该疾病根本驱动因素的解决方案，而非仅处理其后果。Langer表示，缩小这一知识差距是该项目的关键动力之一。
“一旦疾病机制清晰，治疗策略就变得容易构思，”她说。
Langer的研究中一个关键方面是使用了定制的多腔高保真物理测试平台——心血管模拟器。该模拟器允许她使用泵、阀门和工程管道网络模拟真实心脏行为。关键的是，该模拟器同时模拟了心脏两侧，而标准VAD测试台通常无法做到这一点。这一点至关重要，因为如果对左侧辅助装置与系统的相互作用理解不足，可能会引发右心衰竭。
模拟器的动手操作性质使Langer能够观察到仅靠计算模型无法捕捉的现象。实时调整、压力测量和流量可视化揭示了微妙的动态变化，这些变化在模型假设下会被掩盖。这一经验加深了对整个系统相互作用的理解，为评估设备概念奠定了更坚实的基础。她解释说，将物理和计算洞察联系起来的能力对于应对HFpEF的复杂性至关重要。
“计算模型总是依赖假设。实验系统让我能够去除许多假设，直接观察物理现象，”她说。
现有的VAD无法简单地缩小或重新塑形以适应HFpEF患者。该疾病特征性的僵硬、厚壁心室造成了根本性的几何和机械约束，使得心室植入不适用。进一步的微型化受到严格的血液处理要求的限制，即使很小的变化也可能增加凝血风险或影响耐久性。HFpEF心脏在生理上表现也不同，这意味着为HFrEF优化的设备在此环境中可能表现不佳甚至危险。
莫纳什的研究提出了一条完全不同的设计路径：将泵置于左心房而非左心室。这减少了空间和机械限制，同时针对核心生理问题——升高的心内压。该概念优先考虑给心脏减压而非最大化输出，使支持与HFpEF的潜在机制对齐，而非强行采用HFrEF式的干预。设计还整合了生理控制策略，根据代谢需求调整支持水平。
“降低心内压与HFpEF的潜在疾病机制更为吻合，”她解释道。
除了提出设备概念，Langer的工作还提供了一个开发平台，融合了物理测试、验证模型和患者特定标准。该平台构成了评估设计可行性、安全性、血流动力学性能和临床适用性的基础。HFpEF的异质性使得这一点尤为重要；患者解剖结构、僵硬度曲线和合并症各不相同，因此一刀切的方法无法成功。
该平台还有助于定义临床目标人群——这是导航监管路径和设计试验的重要步骤。过去许多HFpEF疗法失败并非因为技术有缺陷，而是因为患者选择缺乏精确性。Langer的综合方法可能有助于避免类似陷阱，并提供更清晰的开发路线图。
“如果你不了解设备如何与患者相互作用，设计出优秀的设备也没什么价值，”她说。
她的研究将临床背景和人群定义定位为成功设备工程的核心支柱。
在HFpEF专用泵进入临床前或临床试验之前，必须完成多个层次的安全测试。这些包括生物相容性评估、验证和确认测试，以及急性和慢性动物研究。慢性研究对于理解血液相容性、器官系统相互作用以及无法在台架上完全捕捉的细微长期效应至关重要。HFpEF生理本身也带来了额外考虑，因为改变的血流模式可能影响机械负荷和凝血行为。
机械循环支持设备的监管路径复杂。尽管HFpEF专用泵是新颖的，但与现有VAD的相似性可能允许采用类似的监管策略。
“最大的障碍将是定义正确的患者人群，并在如此异质性的群体中显示有意义的获益，”她指出。
对于任何与血液接触的设备，规模化生产需要严格的制造公差。质量保证、材料可追溯性以及符合国际标准必须从开发的最早阶段就嵌入。即使是微小的设计变更也可能引入新的性能风险，因此工程与制造之间的对齐至关重要。当处理不规则几何形状或需要微型化时，这些考虑更加突出。
生物环境带来了额外的约束。Langer表示，设备必须承受变化的压力，避免损伤血细胞，并在保持长期耐久性的同时适应解剖学上的限制空间。工程师必须在材料选择、几何优化和制造可行性之间取得平衡，同时不牺牲患者安全。
“该领域的任何修改都会引入新的约束，因为设备必须在复杂的生物环境中安全可靠地运行，”她说。
如果成功开发，一种专用的HFpEF泵可能从根本上重塑全球心力衰竭护理。对于目前依赖症状管理或姑息治疗的患者，机械支持可以提供延长生命和改善生活质量的双重益处。该设备可以作为移植的桥梁或长期治疗，具体取决于患者适应性。这种灵活性反映了HFpEF广泛临床谱系中对多种选择的需求。
在AHFP内部，Langer的工作已经为设备要求和开发策略的讨论做出了贡献。该计划的规模和转化导向使其有望将全球首个HFpEF专用机械循环支持设备变为现实。AHFP联合主任Prof Shaun Gregory强调了Langer贡献的重要性，并指出填补这一长期临床空白的重要意义。
“Nina高质量且具有转化潜力的研究捕捉到了最大心力衰竭患者群体对新型、靶向机械循环支持的未满足需求。虽然我们已知这一需求存在一段时间，但这项新研究指出了更清晰的开发路径，”他说。
追求HFpEF专用泵不仅仅是一项工程挑战——它标志着心力衰竭理解和治疗方式的转变。研究人员不再试图将现有解决方案适配于不兼容的生理机制，而是围绕患者群体的独特需求构建技术。Langer的研究展示了深度整合的建模、严格的实验和临床洞察如何汇聚起来推动医学创新。随着持续投资、合作和开发，这一概念可能很快从研究平台演变为改变生活的疗法。
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