AI与心脏：重构血管系统，创新心血管治疗

当我们想到最极端的医疗干预时，它们通常围绕两种情况：心力衰竭和中风。这些是重症监护病房中的"紧急代码"。它们是顶级医疗难题，是被监护患者的紧急需求——更不用说世界上的任何人了。

那么AI在改善心脏治疗方面发挥作用吗？当然会。从设计侵入性更小的瓣膜和血管手术，到精确定位预防原则，我们正因大语言模型和神经网络的洞察能力而取得巨大进展——甚至构建新型移植解剖结构。

数字孪生技术的应用

其中一个有效方法是数字孪生。正如《美国心脏协会杂志》的这篇文章所指出的，医生可以在心血管护理和干预中有效利用这些模型。

研究作者写道："机械生理模型构成个性化数字孪生的基本构建模块，使用个性化数据流持续预测心血管健康的最佳管理。"这是一种冗长的表达方式——我认为"持续预测最佳管理"这个短语是其工作原理的要点。至于"个性化数据流"，我看到的许多最新会议演讲都讨论了拥有实时数据流（通常来自可穿戴设备）对于个性化建模的重要性。

但我们心血管系统的实际构建模块——心脏、血管系统又如何呢？

构建心脏

哈佛干细胞研究所的凯文·基特·帕克博士是一位资深专家，在实地具有多年经验，跳出飞机、冲锋陷阵、开拓变革。现在，他参与实际创建干预措施，包括为心脏畸形儿童进行移植。在最近的波士顿TED演讲活动中，我无比自豪地邀请他登台，他就心血管问题进行了演讲。

NASCAR心脏

帕克开始谈论一个比喻——将人类心脏比作"NASCAR系统"——一个复杂、可以维修和优化的东西。

他说："（心脏）由生化驱动，电激活，压力和容量调节，是一个平均失效时间为20亿次循环的双态串联机械泵。这是一台令人难以置信的机器。"

然后他展示了维修站如何让这些精良机器持续工作。他首先承认了心脏的再生周期。

他解释说："你离开子宫大约两天后拥有的心肌细胞数量就是你一生中将拥有的全部心肌细胞数量。所以它们每天合成大约5%的蛋白质，并在余生中每20天重建一次自己。"

他指出，构建新解决方案是一项伟大的工程工作。

"有些工程师用钢材建造，有些用混凝土，"他说。"我们用细胞建造。它们是活的。"

来自哈佛的探索

他建议，理解细胞作为建筑材料说起来容易做起来难。

帕克在谈到他在哈佛的早期工作时说："我们认为这会很容易。我们了解如何用它们建造。我们会拿起生理学教科书，看看解剖学，看看结构、功能、关系，然后就建造一颗心脏。不幸的是，这并没有真正奏效。我们遇到了一些问题。"

为了详细说明这一点，他更多地谈到了这种科学的局限性，包括一些试验数据。

"我们可以治疗你的一些症状，可以减轻一些风险，但我们无法真正逆转疾病，"他说。"现在，我们大约50%的新疗法试验在第三阶段失败。我们在第一阶段的失败率约为90%。显然有一些我们不知道的事情。不幸的是，这本教科书中的某些内容是错误的。所以我们的团队必须回去重新剖析心脏，重新审视一个在80年代末、90年代初真正衰落的领域。"

心脏解剖学

帕克演讲的下一部分，我认为有点说教性质。这不是批评：只是说，他从解剖学角度分解了处理心脏作为设计问题的一些基础知识。

"当我们查看教科书时，一些在临床试验中失败的疗法基于完全合理的科学假设，但不一定是科学事实，"他说。"所以我们试图开始理解心脏的基本解剖学。"

"心脏具有模块化设计，"帕克说。"我们将其视为一个单一器官，但它是四个不同的肌肉泵，四个不同的肌肉腔室。它有瓣膜，有血管系统，有神经支配，有一些神经元。有各种不同的部件。所以我们开始考虑采用模块化方法为儿童构建心脏。"

帕克谈到了"异位心脏移植"的前景，我发现这个短语相当难以理解。它涉及将捐赠者的心脏放入接受者的心脏内，使两者串联工作。这创造性地使用了"异位"这个术语，意思是"在异常地方"或"在多样化地方"。这有时被称为"背驮式"移植。

值得注意的是，帕克将此与为估计每年出生的40,000名心脏畸形儿童寻找解决方案的工作联系起来。

"很多时候，这些孩子在他们的一生中需要接受手术来进行矫正，"他说。

纳米材料与心脏

我认为帕克演讲的这一部分展示了AI如何应用于这种工作。显而易见，科学家在人眼不可见的层面上使用纳米材料进行的工作在很大程度上依赖于AI洞察和模型。

"这些细胞喜欢生活在纳米纤维支架上，"他解释纳米材料的作用。"你知道，这是胶原蛋白、弹性蛋白纤维，这是将器官结构完整性结合在一起的细胞外基质网络，也协调这些细胞在空间和时间中的作用。所以我们回去，当我们开始思考如何构建这个东西时：让我们专注于开发制造技术来构建这些纤维支架，这些细胞外基质支架，以帮助构建器官中的组织。"

棉花糖机器

进入临床应用领域，帕克解释了如何使用这种科学来"构建"材料，用某种在某些方面类似于棉花糖机的东西。他讨论了使用这个系统为纤维生成、伤口护理创建细胞集群的用途。

"你可以把它们放在伤口上，"他说。"细胞会迁移到支架上，愈合伤口，如果你用合适的蛋白质构建它，你还可以减少感染的发生率。所以我们有了这个想法。让我们看看能否调整我们制作的这台棉花糖机来制作伤口敷料，制作心脏瓣膜。"

他说，这很有成效。

"我们可以将这些纤维纺到瓣膜上，我们可以在大约10分钟内制作一个瓣膜，"他说。"现在这是个大事，因为他们今天要植入布莱根医院或麻省总医院某人体内的大多数瓣膜大约需要三周时间制作。技术已经存在。问题是监管（路径）。"

此外，他指出，血管手术侵入性较小的特性意味着这些物品可以以更灵活的方式部署。

"我们可以通过股动脉将它们带入孩子的胸部，"他解释说。"不必切开胸骨。不会有那种十几岁女孩去海滩时不想要的难看疤痕。我们认为这很酷。"

视频中还有很多内容。帕克广泛谈论了用3D打印进行这种科学研究，以及它如何工作——程序必须考虑心脏的制作方式，具有厚壁，以及模拟能多好地模仿其功能。查看详细的前沿心脏病学图片。

"整个想法是，在不太遥远的将来，这个模块化心脏的不同部分将可供医院病房的患者使用，"帕克说。

底线是：我们有新的、开创性的科学。让我们用它来拯救生命。

Q&A

Q1：什么是数字孪生技术？它在心血管治疗中如何应用？

A：数字孪生是一种医疗建模技术，通过机械生理模型构成个性化数字孪生的基本构建模块，使用来自可穿戴设备等的个性化数据流，持续预测心血管健康的最佳管理方案，为医生在心血管护理和干预中提供有效帮助。

Q2：纳米纤维支架在心脏组织工程中起什么作用？

A：纳米纤维支架为心脏细胞提供生存环境，它由胶原蛋白、弹性蛋白纤维组成，是细胞外基质网络的一部分，不仅维持器官结构完整性，还协调细胞在空间和时间中的作用，帮助构建器官中的组织。

Q3：新型心脏瓣膜制造技术有什么优势？

A：新技术可以在约10分钟内制作一个心脏瓣膜，而传统方法需要三周时间。而且手术创伤更小，可以通过股动脉进入，不需要切开胸骨，避免了胸部疤痕，特别适合年轻患者。