人工心臓（基礎） - 発行機関について

●人工臓器 ─ 最近の進歩
人工心臓（基礎）
独立行政法人産業技術総合研究所ヒューマンライフテクノロジー研究部門人工臓器グループ
丸山修
Osamu MARUYAMA
おり，ポンプケーシングとは完全に非接触で回転する機構
はじめに
1.
である。EVAHEAR T TM と同様，2011 年 4 月に販売が開始
2010 年 12 月に本邦初の体内埋め込み型人工心臓である
EVAHEAR T TM（株式会社サンメディカル技術研究所）と
されたが，ポンプの通常の回転モードが維持されない不具
合が発生し，2011 年 12 月より販売を見合わせている。
DuraHeart®（テルモ株式会社）が製造販売承認されてから，
茨城大学では，乳児用補助人工心臓および超長期用埋め
間もなく 2 年が経過しようとしている。国際的にも注目さ
込み型人工心臓を開発している。乳児用補助人工心臓は，
れ，我が国のデバイス開発に対する技術がクローズアップ
単二電池と同等の大きさで，浮上インペラの上下に二つの
されたことは言うまでもない。これにとどまらず，新しい
磁気浮上モータを配置することで，人工心臓として必要な
人工心臓および体外循環ポンプが次々に開発されており，
トルクおよび磁気支持力を達成している。また，超長期埋
さらに安全・安心な人工心臓の実現に向けて新たな技術が
め込み型人工心臓では，胸部筋層内への埋め込みを前提と
生み出されている。本稿ではこの 1 年に報告された成果を，
して，直径 50 mm，厚さ 10 mm の小型かつ薄型の人工心臓
特に論文および学会発表された内容から紹介する。
の実現を目指している 4) 。
東京大学では，耐久性を持たせるために，新たな技術を
体内埋め込み型人工心臓
2.
導入した螺旋流ポンプの開発を行っている。その構造は，
上述の EVAHEAR T TM は，滅菌した純水を循環させるこ
水車状のインペラの両側に螺旋状流路を持ち，インペラに
とで，インペラ軸受部の潤滑，血液シールの維持およびモー
内蔵した永久磁石と，コアに内蔵した電磁石でモータを形
タの冷却を促進するクールシールシステムを導入した遠心
成し，インペラを回転させる仕組みである。このインペラ
血液ポンプである。上述の通り 2010 年 12 月に製造販売
は動圧軸受により非接触で回転する。このポンプを左心バ
承認され，2011 年 4 月に販売が開始された。ポンプ容積
イパスの形で埋め込んだヤギによる動物実験を実施し，抗
132 ml，重量 420 g のコンパクトなサイズであり，本体はチ
凝固療法なしで 6 ヶ月の生存に成功している 5) 。
タン製で，血液接触面は 2-methacr yloyloxyethyl
東北大学では，定常流型全置換型人工心臓の実現を目指
phosphor ylcholine（MPC）ポリマーコーティングされてい
して，新しい構造の定常流ポンプを開発している。本ポン
る。この EVAHEAR T TM は東京大学 1)，国立循環器病研究
プの特徴は，らせん状の流入路構造，永久磁石，および動
センター2)，東京女子医科大学 3) などで臨床使用が報告さ
圧軸受を組み合わせた軸受にある。これまでに，非接触に
れた。
よる回転および動物実験による血液循環を維持できること
DuraHear t ® は，インペラが磁気軸受により支持されて
が確認されている 6) 。
杏林大学では，高圧力，高流量を発生させやすく，また
流量応答のよいカスケードポンプ（渦流，摩擦）の開発を
■著者連絡先
独立行政法人産業技術総合研究所ヒューマンライフテクノ
ロジー研究部門人工臓器グループ
（〒 305-8564 茨城県つくば市並木 1-2-1）
E-mail. [email protected]
172
行っている。試作ポンプにおいて，インペラの厚みを 6
mm とし，ポンプ本体は直径 52 mm，高さ 45 mm で，重さ
は 230 g と超小型である。60 bpm の拍動モードにおいては，
人工臓器 41 巻 3 号 2012 年
後負荷 102 mmHg，流量 5.1 l/min で平均 11 W，また後負
HeartWare 社（アメリカ）の HVAD ™は，受動的磁気支持
荷 105 mmHg，流量 9.9 l/min で平均 16 W での駆動が可能
と動圧軸受のコンビネーションでインペラが支持されてい
であった 7)
る遠心血液ポンプで，体積はわずか 50 cc である。小児へ
。
国立循環器病研究センターでは，低回転で高揚程を発生
の応用として，アメリカでは 13 歳の少年に，移植までのつ
させるため，二段構造のインペラを持つ血液ポンプの開発
なぎとして初めて HVAD ™適用の報告があった 15) 。また，
を行っている。溶血成績を向上させるため，computational
同社の MVAD ™は，HVAD ™より約 1/3 のサイズである軸
fluid dynamics（CFD）による解析によって，羽根車や案内
流式の埋め込み型補助人工心臓で，HVAD ™に採用してい
羽根にシュラウドを設けることで壁面せん断応力の低減が
るインペラ支持技術（受動的磁気支持＋動圧軸受）を用い
可能であり，また案内羽根の流路を一定にすることとサク
ており，HVAD ™と同等のポンプ性能であることが動物実
ションボリュートを縮小することにより淀みを解消できる
験により示されている 16) 。
ことを証明した 8) 。
MicroMed Cardiovascular Inc.（アメリカ）のHeartAssist 5™
国立循環器病研究センター，三菱重工業株式会社，ニプ
は，セラミック軸受を有する小型軸流ポンプである 17) 。
ロ株式会社および産業技術総合研究所では，独立行政法人
ストレーナ，インペラおよびディフューザを改善させるこ
新エネルギー・産業技術総合開発機構 (New Energy and
とで，60 日間 7 例の動物実験で好成績を示した 18) 。
Industrial Technology Development Organization, NEDO)
Thoratec® Corporation（アメリカ）の HeartMate Ⅱ® は，
プロジェクトにより，destination therapy を実現するため
接触軸受を持つ軸流型人工心臓である。我が国においては，
の高耐久性を有する軸流ポンプ人工心臓システムの開発を
2010 年 4 月より臨床治験が開始され，予定症例数 6 例の埋
行っている 9)
。この人工心臓は，動圧軸受を有する軸流ポ
め込みはわずか 1 ヶ月間で完了した。2011 年 8 月時点で，6
ンプである。産業技術総合研究所において，本ポンプ 8 台
例とも大きな合併症は無く，近々保険償還される見込みで
について，作動流体としてグリセリン生理食塩水を使用し，
ある 19) 。
72 bpm の拍動発生の下，0 ∼ 9.5 l/min（平均流量 5 ± 1 l/
Jar vik Heart ® Inc.（アメリカ）の Jar vik 2000 は，ピボッ
min）で 6 ヶ月間の耐久性試験に成功し，長期耐久性を確認
ト軸受を持つ軸流式の人工心臓である。成人用のポンプは，
した 10)
。国立循環器病研究センターでは，ウシを使用し
直径が 25.4 mm であり，成人用 ventricular assist device
た慢性動物実験において，8 例，90 日間の生存に成功し
（VAD）としては世界最小サイズである。これに加えて，直
た 11)
。この実験ではポンプ内部での血栓形成や溶血は認
径 18 mm の小児用，および直径 10 mm の乳児用がある。
められず良好な抗血栓性を実証することができた。また，
特に 2012 年 5 月に，乳児用がローマにおいて世界で初めて
成人用として開発したポンプについて，小柄患者に適用す
1 歳児に埋め込まれた例は記憶に新しい 20),21) 。
る研究も行っている 12) 。
東京電機大学では，左心補助人工心臓としてエンクロー
3.
体外循環ポンプ
ズド型の軸流血液ポンプの開発を行っている。溶血性能を
茨城大学では，心臓治療用血液ポンプの開発を行ってい
改善させるため，インペラ表面に水素化アモルファスカー
る。Bridge to decision，bridge to recover のために，瞬時拍
ボン被膜を施した。この結果，20％の溶血低減効果が見ら
出流量 20 l/min を達成し，自己心の拍動に同期できる高機
れた。これは，水素化アモルファスカーボンにより表面エ
能化を図り，また磁気浮上モータの再利用を考慮して体外
ネルギーが低下し，赤血球に対する摩擦係数が減少した結
設置型としている 4) 。冠動脈流量増加や負荷調整を行うた
果であると論文では結論づけている 13) 。
めに，自己心拍動に同期して，高揚程時に 5 l/min，低揚程
Ter umo Hear t 社（アメリカ）では，現行モデルである
時に 20 l/min 以上送出できることを目標としている。水を
DuraHear t ® よりも小型・軽量化，低消費電力化を実現す
使用した閉回路による実験で，これらのポンプ性能を達成
る DuraHear t ® Ⅱの開発が行われている。軸受は，受動的
できていることを確認した 22) 。
磁気支持および動圧軸受を採用している。ポンプ容量は約
東京医科歯科大学で開発されている MedTech Mag-Lev
30 ml，重量約 100 g と DuraHear t ® と比較して 1/6 以下の
は，仔牛を用いた左心室補助慢性動物実験で，2011 年 7 月
小型サイズである。さらには，消費電力も DuraHear t ® の
までに 60 日間で 5 頭の生存に成功している。2011 年 7 月よ
半分以下となり，携帯バッテリも小型・軽量となる。ポン
り MedTech ECMO study が開始され，最長 3 週間の良好な
プ性能は，DuraHeart® とほぼ同等の性能を示し，溶血特性
流量維持，ガス交換能を示した。また，小児用超小型遠心
は DuraHeart® の約半分の溶血特性を示している 14)
血液ポンプ Tiny Pump ™は，体重 12.5 ∼ 26.7 kg のヤギを
。
人工臓器 41 巻 3 号 2012 年
173
用いた左心室補助慢性動物実験がこれまでに 5 例行われて
いる。平均流量約 1 l/min で，30 日間で 2 例の生存に成功
している 23) ∼ 25) 。
初の手術が行われた 31) 。
4.
人工心臓におけるレギュラトリーサイエンス
国立循環器病研究センター，三菱重工業株式会社，ニプ
レギュラトリーサイエンス（regurator y science, RS）と
ロ株式会社および産業技術総合研究所は，NEDO プロ
は，1987 年に内山充国立衛生研究所所長が提唱された概念
ジェクトにより，1 ヶ月程度の extracorporeal membrane
で，
「科学技術の進歩を，真に人と社会に役立つ，最も望ま
oxygenation（ECMO）/percutaneous cardio pulmonar y
しい姿に調整（レギュレート）するための，予測・評価・判
suppor （
t PCPS）の連続使用を可能とする動圧軸受型遠心
断の科学である」と定義されている。人工心臓で RS が話題
血液ポンプの開発を行っている 9) 。ディスポーザブルヘッ
となったのは，
「埋め込み型補助人工心臓」という新医療機
ドと駆動モータを合わせた重量は 500 g で外径 59 mm，長
器を，どのような承認基準で評価すればよいのかが未定で
さ 123 mm を実現しており，極めてコンパクトである。長
あった時期に，開発ガイドライン（経済産業省）と臨床評価
期使用可能な膜型人工肺と組み合わせた PCPS システムと
指標（厚生労働省）を産学官連携で制定したことと，市販後
して，慢性動物実験において抗凝固療法を用いずに 30 日の
ルールとしての実施基準を 6 学会 1 研究会が合同で制定し
連続運転を安定して達成した 26)
たことによって，手際よく 2010 年の承認（テルモ株式会社，
。
産業技術総合研究所では，泉工医科工業株式会社との共
株式会社サンメディカル技術研究所の 2 機種）に到達でき
同研究により，MERA モノピボット遠心血液ポンプを開発
たことによる。つまり，開発者が行うべき評価，審査機関
している。ポンプ内流れと軸受形状の最適化により，溶血
が参照する評価，市販後ユーザーが守るべきルールを一連
低減に成功した。東北大学との共同研究により，29 日間の
の基準としてまとめ，科学的論理と見通しを与えた。これ
動物実験を VAD 条件により行い，無血栓であることを確認
により，評価プロセスが透明化された評価科学つまり RS
した 27) 。2011 年 10 月より販売開始となり，すでに 150 例
として，その後の医療機器の開発・承認取得・市販の手本
を超える臨床例がある。体外循環手術に用い，低溶血ポン
となった。埋め込み型補助人工心臓については，2010 年
プであることを臨床的にも確認している 28)
。また，bridge
12 月の承認，2011 年 4 月の保険収載以降も，市販後データ
to bridge ポンプとして，動圧軸受式遠心血液ポンプの開発
ベース（J-MACS）によって，不具合事象を含む臨床使用経
を行っている。ジャーナル動圧軸受の溝形状がポンプのイ
過が透明化されており，成果が出ている。
ンペラ安定性および溶血特性に及ぼす結果を調べたとこ
ろ，ヘリングボーン形状の溝をジャーナル軸受に採用する
5.
おわりに
ことで，ジャーナル軸受に溝のない軸受と比較して，公転
本稿では，特にデバイス開発を中心に，この 1 年におけ
半径は 33％，normalized index of hemolysis（NIH）は 56％
る成果を記載した。すべてのデバイスを網羅することはで
小さくなることを確認した 29) 。
きなかったが，国内においても，EVAHEAR T TM，
Levitronix® GmBH（スイス）の CentriMag® は，体外設置
DuraHear t ® に続く形でデバイスの開発が急速に進んでい
型の短期間左心補助デバイスである。ポンプヘッドは，使
るのが伺える。また重要なことは，開発されたデバイスを
い捨て可能なポリカーボネート製の磁気浮上型非接触式遠
いち早く臨床現場に繋げるために，RS に基づくアプロー
心血液ポンプである。この CentriMag®
チが絶対的に必要であり，デバイス開発のみならず，安全
LVAS は，アメリカ
においては，心臓切開後の心原性ショックの患者に対して，
性についても研究者が責任を持って取り組むべきであると
14 日までの補助として使用することが検討されている。
考える。
しかし，心筋梗塞の男性患者に CentriMag ® で 183 日の左
心補助を行ったのちに，心臓移植に至った例についても報
告されている 30)
。
Berlin Heart 社製（ドイツ）の体外設置型の拍動型血液ポ
ンプ Excor ® は，1990 年に最初の症例が行われ，これまで
に世界で合計 1,100 例以上の小児に適用されている 31) 。
Excor ® は小児 VAD として最長の 877 日間の補助を達成
し 32)，日本国内では，2012 年 8 月 2 日に東京大学において
生後 14 ヶ月の女児に対して渡航移植までのつなぎとして
174
文　献
1) 小野稔，西村隆，木下修，他：我が国において植
込み型補助人工心臓を最大限に生かすには何が必要か？
人工臓器 40: S-18, 2011
2) 中谷武嗣，戸田宏一，藤田知之，他：植込み型補助人工
心臓「今後の展開」．人工臓器 40: S-18, 2011
3) 西中知博，斎藤聡，津久井宏行，他：植込み型連続流
式補助人工心臓による循環補助施行症例の長期管理に関
する検討．人工臓器 40: S-19, 2011
4) 増澤徹，巽英介，西村隆，他：用途別に分化する
人工臓器 41 巻 3 号 2012 年
磁気浮上型血液ポンプ．人工臓器 40: S-40, 2011
5) 阿部祐輔：波動型完全人工心臓と螺旋流完全人工心臓．
人工臓器 40: S-40, 2011
6) 三浦英和，陳炯旬，志賀卓弥，他：小型遠心ポンプを
用いた定常流全置換型人工心臓の小型軽量化を目指した
研究開発．人工臓器 40: S-121, 2011
7) 福長一義，阿部祐輔，山家智之，他：完全人工心臓用カ
スケードポンプ（ACCEL PUMP）の左心用ポンプの評価．
人工臓器 40: S-136, 2011
8) 築谷朋典，堀口裕憲，辻本良信，他：多段インペラを有
する高揚程型血液ポンプの設計について．人工臓器 40:
S-51, 2011
9) 築谷朋典：次世代高機能血液ポンプシステムの研究開発．
NEDO 技術フォーラム in 近畿（2010）∼ライフサイエンス
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175

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