補助人工心臓

thumb|300px|左室補助人工心臓（LVAD）が補助する血流の図解。ポンプの働きによって左室心尖部から大動脈に血液を駆出している。

補助人工心臓（ほじょじんこうしんぞう、: VAD または : VAS）日本においては口頭では通称バド（VAD）またはバス（VAS）と呼ぶ。（参考：・）とは、重症心不全患者の心臓の左室または右室、あるいは両心室の働きを補助する人工臓器である。空気駆動ないし電気駆動によって動作するポンプ、ポンプによって心臓から血液を吸引する脱血管、吸引した血液を動脈に送り出す送血管、そしてポンプの動力源となる電源供給部などから構成される。完全置換型人工心臓（total artificial heart: TAH）とは異なり自己の心臓を温存した形で心機能を補助する目的で使用され、大動脈内バルーンパンピング（IABP）や経皮的心肺補助（PCPS）と同じく、心機能の一部を代替する働きを持つ補助循環の一種である。

開発の歴史と現況

完全置換型の問題点とVADへの移行

人工心臓開発の歴史は、1935年にチャールズ・リンドバーグとアレクシス・カレルにより試作され後の人工心臓の原型となった、世界初の完全置換型人工心臓（TAH）である「カレル・リンドバーグポンプ」に始まるFrazier OH, et al. The Total Artificial Heart: Where We stand. Cardiology, Vol.101, No.1-3, February 2004. 1507–1514.。その後1957〜1958年にかけてにて阿久津哲造とにより完全置換型人工心臓の初の動物実験が行われ、イヌに対して植込み実験を行い約1.5時間の生存に成功したAkutsu T, Kolff WJ. Permanent substitutes for valves and hearts. Trans Am Soc Artif Organs 4:230, 1958.。1960年代から人工心臓開発が米国の国家プロジェクトとして、およびプロジェクトの作成に携わった能勢之彦らにより開始され能勢之彦, 高場準二. 能勢之彦，人工臓器の歴史を語る 世界の巨人たち 第一話 ―人工臓器の神様，ウィレム・コルフ先生と私―. 人工臓器 40巻1号 (2011). 84-92.、同じく1960年代より始まった心移植の代替治療となることを目指して研究が進められた。しかし長期耐久性や血栓形成などの問題で当時の完全置換型人工心臓には限界があり、人工心臓開発の目標は完全置換型から、並行して開発が進められていた補助人工心臓へ移っていくこととなった。

VADの開発と臨床応用

補助人工心臓（VAD）は1963年にドベイキーがおよびスタンリー・クロフォードの開発した左室補助人工心臓（リオッタ・クロフォード型LVAD）を42歳の患者に使用したのが初の臨床応用例である津久井宏行. 植込み型補助人工心臓時代の本格的幕開け. 人工臓器 39巻3号. 150-153.Universidad de Morón - Cardiocirculatory Assistance and Total Artificial Heart; Historical Review. UM-Thesaurus IV (21).。リオッタは完全置換型人工心臓の研究と並行してVADの臨床応用に向けた研究開発を1961年よりベイラー医科大学にて行っておりLiotta, D, ES Crawford, DA Cooley, ME DeBakey, M de Urquia, L Feldman (1962). Prolonged partial left ventricular bypass by means of an intrathoracic pump implanted in the left chest, Trans Am Soc Artif Intern Organs, 8: 90-99.、その他1969年にリオッタ・クーリー型TAHが初めて臨床応用されているDomingo Liotta - International Foundation - Medical Corp.。

その後世界で研究開発が進められてきたが、当初は体外設置型VADが短期使用を目的として用いられてきた。しかし免疫抑制剤のサイクロスポリンの登場により心移植が急速に普及するとともにドナー不足の問題が顕在化し、心移植を待つ重症心不全患者が移植待機の期間中を如何にして乗り切るかが問題となった。そこで心移植までの「つなぎ」として、患者に適合するドナーが現れるまでの期間の循環補助としてVADを用いる移植への橋渡しとしての使用法（ブリッジ使用）が発展してきたMatsuwaka R, Matsuda H, Kaneko M, Miyamoto Y, Masai T, Nakatani T, Sasaki E, Frazier OH. Overseas transport of a patient with an extracorporeal left ventricular assist device. Ann Thorac Surg. 1995 Feb;59(2):522-3.Kyo, S et al. Prognosis of dilative cardiomyopathy and bridge use of left ventricular assist device to heart transplantation. Jpn J Cariovas Surg 1993; 22 (suppl): 255.許俊鋭. 第49回日本人工臓器学会大会 教育講演 「臓器移植法改正後の心臓移植・補助人工心臓の現況と将来展望」. 人工臓器 41巻1号 (2012). 21-23.。そして1990年代に在宅治療可能な第1世代拍動流植込型VADが臨床導入され、重症心不全に対して標準的に用いられるようになった。

心移植代替治療としての永久使用（DT: destination therapy）の適応に関しては、2002年に第1世代植込型VADのHeartMate VEが、2010年に第2世代植込型VADのHeartMate IIがアメリカ食品医薬品局（FDA）により永久使用の適応として承認された（ただし長期耐久性に限界がある点を考慮し、高齢や悪性腫瘍の合併など心移植適応とされない症例が適応とされている）Eric A. Rose, M.D., Annetine C. Gelijns, Ph.D., Alan J. Moskowitz, M.D., Daniel F. Heitjan, Ph.D., Lynne W. Stevenson, M.D., Walter Dembitsky, M.D., James W. Long, M.D., Ph.D., Deborah D. Ascheim, M.D., Anita R. Tierney, M.P.H., Ronald G. Levitan, M.Sc., John T. Watson, Ph.D., Nuala S. Ronan, R.N., Peter A. Shapiro, M.D., Ronald M. Lazar, Ph.D., Leslie W. Miller, M.D., Lopa Gupta, R.D., M.P.H., O. Howard Frazier, M.D., Patrice Desvigne-Nickens, M.D., Mehmet C. Oz, M.D., Victor L. Poirier, M.B.A., and Paul Meier, Ph.D. for the Randomized Evaluation of Mechanical Assistance for the Treatment of Congestive Heart Failure (REMATCH) Study Group. Long-Term Use of a Left Ventricular Assist Device for End-Stage Heart Failure. N Engl J Med 2001; 345:1435-1443November 15, 2001DOI: 10.1056/NEJMoa012175Mark S. Slaughter, M.D., Joseph G. Rogers, M.D., Carmelo A. Milano, M.D., Stuart D. Russell, M.D., John V. Conte, M.D., David Feldman, M.D., Ph.D., Benjamin Sun, M.D., Antone J. Tatooles, M.D., Reynolds M. Delgado, III, M.D., James W. Long, M.D., Ph.D., Thomas C. Wozniak, M.D., Waqas Ghumman, M.D., David J. Farrar, Ph.D., and O. Howard Frazier, M.D. for the HeartMate II Investigators. Advanced Heart Failure Treated with Continuous-Flow Left Ventricular Assist Device. N Engl J Med 2009; 361:2241-2251December 3, 2009DOI: 10.1056/NEJMoa0909938.。その後植込型VADの欠点を改善すべく開発が進められ、第2世代植込型VADは接触軸受で定常流ポンプの回転羽根車を支えるのに対し、新たに開発された第3世代植込型VADは磁気浮上や動圧浮上といった非接触軸受の機構を持つようになった。第3世代植込型VADの非接触軸受は接触軸受と比べて、軸受部の熱の発生による血栓形成や摩耗を軽減することによって、耐久性に優れる特徴を持つ高本眞一 監修・許俊鋭 編集. 心臓外科 Knack & Pitfalls 心不全外科治療の要点と盲点. 文光堂. pp140-189. ISBN 978-4-8306-2334-9.。

日本における展開

一方日本では、急性心不全に対する1ヶ月程度の使用を目的として、1980年に東大・ゼオン型VADの、1982年に国循・東洋紡型VAD（後のニプロVAD）の臨床使用が始まった。これら2機種の体外設置型拍動流VADはいずれも1990年に製造販売承認を受け、1994年より保険適用となり、以来多くの施設で用いられてきた国立循環器病センター心臓血管部門 編. 新 心臓血管外科管理ハンドブック. 南江堂. p53-55. ISBN 978-4-524-22176-9.ゼオン型は2005年に市場から撤退している。。その後2004年にNovacor LVADが一時的に保険償還されたが、日本での販売時点で既に旧式となっており1996年の臨床試験開始から保険適用承認まで8年を要し、その間欧米ではNovacorの世代交代が進んだ。わずかの症例で保険診療として使用されたのみで2年で市場から撤退、いわゆる「デバイスラグ」の典型例となった許俊鋭. 埋め込み型LVASの臨床導入: ノバコア保険償還の経緯と今後の課題. Cardiovascular Med-Surg 2005; 7: 279-283.小野稔. 植込み型補助人工心臓の時代来る. 心臓 Vol.43 No.3 (2011) 299.。厚生労働省に設けられた「医療ニーズの高い医療機器等の早期導入に関する検討会」にて、2007年に「医療ニーズの高い医療機器」として指定されたHeartMate XVEは2009年に製造販売承認されたが、やはり承認時すでに時代遅れとなり保険償還申請は行われなかった。そのため同検討会ではこのような経緯を教訓に審査・承認を迅速化する方向で検討が進められた。その後、第2・第3世代定常流植込型VADであるDuraHeartとEVAHEARTが臨床試験開始からそれぞれ5年半、2年で製造販売承認が得られ、いずれも2011年より保険償還された。続いてHeartMate XVEの後継機であるHeartMate IIが2013年4月に、Jarvik 2000が2014年1月に製造販売承認に至り、ようやく日本の重症心不全治療機器の選択肢が欧米と同等水準にまで達した東京大学医学部附属病院 22世紀医療センター 平成25年度活動報告書。

また2010年に臓器移植法が改正され小児ドナーからの心移植が可能となり、小児心移植への橋渡しとして小児用VADの役割が今後日本でも重要となるが、小児に使用可能で欧米で既に市販されているEXCORの医師主導臨床試験が2012年に日本でも開始され、東京大学医学部附属病院で初のEXCOR植込み手術が行われた。欧州でJarvik乳児用ポンプの臨床試験が2012年に開始されたが、日本でもNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）のプロジェクトとして小児用第3世代軸流型定常流植込型VADの開発が進んでいる。

今後の開発の課題

今後の開発の課題として、短期使用VAD・小児用VAD・遠心ポンプ植込型VADの小型化が挙げられる。米国では救命目的の1週間から1ヶ月程度の短期補助（後述のBTD: bridge to decision）に使用可能なデバイスとして、体外設置型第3世代遠心ポンプCentriMagや経皮的VADであるImpella、TandemHeartが普及してきており、特にImpellaとTandemHeartは血管内治療の手技を用いた経皮的VADとして循環器内科や救急領域に広がっておりVranckx P, Foley DP, de Feijter PJ, et al. Clinical introduction of the Tandemheart, a percutaneous left ventricular assist device, for circulatory support during high-risk percutaneous coronary intervention. Int J Cardiovasc Intervent 2003; 5: 35-39.Meyns B, Dens J, Sergeant P, et al. Initial experiences with the Impella device in patients with cardiogenic shock - Impella support for cardiogenic shock. Thorac Cardiovasc Surg 2003; 51: 312-317.、日本では2017年よりImpellaの臨床使用が開始された。日本でも、国産の遠心ポンプ型植込型VAD（DuraHeart、EVAHEART）の小型モデル化に向けた開発が進んでいる。

種類 thumb|300px|体外設置型VADであるEXCOR。ニプロVADなどと同様にダイアフラムポンプで血液を駆出する空気駆動式VADである。ポンプの写真左側に送血・脱血カニューレの接続コネクタ部があり、送脱血カニューレが皮膚を貫通する。右側には駆動チュープの接続部がある。 thumb|right|200px|ダイアフラムポンプの模式図。 thumb|250px|植込型VAD。上行大動脈に送血管が縫着され、左室心尖部には縫着した心尖部カフを通じて脱血管が挿入されている。

VADにはポンプ本体を体外に置く体外設置型（paracorporeal VAD, extracorporeal VAD）、植込型（implantable VAD）、経皮型（catheter based VAD)がある。また、完全置換型人工心臓（TAH）は通常左心ポンプと右心ポンプが一体となっているが、VADは左室補助人工心臓（LVAD）と右室補助人工心臓（RVAD）の2種類がある。LVADの場合は胸部大動脈に直接接続した送血管と、左室または左房に挿入した脱血管をポンプ本体に接続し、RVADの場合は肺動脈に接続した送血管と、右室または右房に挿入した脱血管をポンプ本体に接続する。LVADとRVADを同時に装着する場合を両心補助人工心臓（BiVAD または BVAD）と呼ぶ。またポンプが生じる血流が心臓の拍出と同じ生理的な拍動流であるか、あるいは軸流ポンプや遠心ポンプを用いた定常流（連続流）であるかによっても分類される龍野勝彦 他. 心臓血管外科テキスト. 中外医学社. pp 582-588. ISBN 978-4-498-03910-0.。

主要な機種を下表に示す。太字は日本で使用症例がある機種である日本循環器学会. 循環器病の診断と治療に関するガイドライン2013, 2011-2012年度合同研究班報告 - 「重症心不全に対する植込み型補助人工心臓ガイドライン」. pp147-190. 。2012年9月時点までの集計で日本では1477例のVAD装着が行われており、そのうち症例数が最も多いのはニプロVADである（902例）日本臨床補助人工心臓研究会（JACVAS） - 2012年度補助人工心臓レジストリー。ただし2011年からは植込型VADの症例が増加し、2010年以降の集計で症例の7割以上が植込型となっているJ-MACS Statistical Report (2010年6月-2013年12月) ：2014年3月（PDF）。

+ 主な補助人工心臓種類機種開発・製造保険収載（日本）体外設置型VADニプロVAD（旧TOYOBO型）国循センター型（東洋紡・ニプロ）国立循環器病センターと東洋紡で共同開発され、現在は東洋紡からニプロ社に製造販売が引き継がれている。1994年ゼオンVAD東大型（日本ゼオン）1994年BVS 5000アビオメッド（ABIOMED）2001年AB5000アビオメッド2001年CentriMag（Thoratec）EXCORBerlin Heart（2012年治験開始）植込型VAD第1世代拍動流VADNovacorワールドハート（WorldHeart）2004年HeartMate IP / VE / XVEソラテック第2・第3世代定常流VADJarvik 2000ジャービック・ハート（Jarvik Heart）Jarvik Heart （2013年製造販売承認厚生労働省医薬食品局審査管理課 医療機器審査管理室 審議結果報告書 Jarvik2000植込み型補助人工心臓システム（平成25年10月31日））HeartMate IIソラテック（Thoratec Corporation）2013年HeartMate3ソラテック（Thoratec Corporation）2021年EVAHEARTサンメディカル技術研究所2011年DuraHeartテルモ2011年HeartWare HVADハートウェア（HeartWare）HeartWare小児用VADPediPump（Cleveland Clinic）infant Jarvikジャービック・ハートPediaFlow VADワールドハート経皮型VADImpellaアビオメッド2017年Tandem Heartカーディアックアシスト

構造と動作原理 thumb|植込型VADの各構成要素。

VADはその主な構成要素としてポンプ、脱血管、送血管、その他動作を制御するコントロールユニットや電源供給部から成り、ポンプの動作により心臓から脱血管を通じて吸引された血液が、送血管を通じて大動脈（右心補助の場合は肺動脈）に駆出される。送血管・脱血管は体外設置型VADではそれぞれ皮膚を貫通して体外のポンプと接続されるが、植込型VADではポンプと共に体内に植え込まれ、代わりにポンプの電力供給および制御を担うドライブラインが皮膚を貫通して体外のコントロールユニットに接続する。また植込型では電源供給はAC/DC電源とバッテリーの両方でできるようになっていることが多い。ポンプの駆動方式としては、空気圧によりダイアフラムポンプを駆動する空気圧駆動式や、モーターの回転により駆動する電磁力駆動式がある。またポンプの駆出機構の違いにより、駆出される血流はおよび定常流（連続流）の2種類のタイプが存在する。動作機構は各機種により大きく異なるが、以下に代表的な機種について概説するSchulman, A. R.; Martens, T. P.; Christos, P. J.; Russo, M. J.; Comas, G. M.; Cheema, F. H.; Naseem, T. M.; Wang, R.; Idrissi, K. A.; Bailey, S. H.; Naka, Y. (2007). Comparisons of infection complications between continuous flow and pulsatile flow left ventricular assist devices. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery 133 (3): 841-842. doi:10.1016/j.jtcvs.2006.09.083. .Givertz MM. Cardiology patient pages: ventricular assist devices: important information for patients and families. Circulation. 2011 Sep 20;124(12):e305-11. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.111.018226.。

拍動流VAD

拍動流VADにはニプロVADやThoratec PVADなどの体外設置型と、HeartMateやNovacorなどの植込型があるが、拍動流植込型VADは小型化が難しく現在の植込型の主流は定常流VADに移行している。

拍動流体外設置型のニプロVADは空気圧によりダイアフラムポンプを駆動する空気駆動式である。ポンプ内部がポリウレタン膜（ダイアフラム）で空気室と血液室に分割され、血液室の流入部と流出部には人工弁が組み込まれていて、逆流を防止して血液が一方向へ流れるようになっている。空気室は空気駆動チューブと連結されており、空気室にをかけるとダイアフラムが空気室へ引き込まれ、血液が心臓から脱血される。陽圧がかかればダイアフラムが血液室に押されて、血液が大動脈へ駆出される。左心補助の場合は左室心尖部脱血・上行大動脈送血で行うことが最も多い左房脱血や下行大動脈送血を行うことも可能である。。右心補助の場合は右房脱血・肺動脈送血が一般的である。Thoratec PVADやEXCORなども同様の空気駆動ダイアフラムポンプである西村隆. 植込型補助人工心臓時代における体外式補助人工心臓の役割. 人工臓器41巻1号 (2012):86-89.。

定常流VAD

定常流VADのポンプ駆動方式には遠心ポンプ型と型の2種類がある。遠心ポンプ型はポンプ内部の羽根車（Impeller、インペラ）が回転することにより生じる遠心力で血液を吸引・駆出する機構を持つ。代表的な機種には第2世代定常流植込型のEVAHEARTや、磁気浮上による非接触軸受の機構を持つ第3世代定常流植込型のDuraHeartなどがある。DuraHeartは世界初の磁気浮上遠心ポンプを用いたVADで、インペラをポンプ内壁のどこにも接触させずに浮上させて回転させることにより、長期耐久性・抗血栓性を備えているという特徴がある。体外設置型でも、磁気浮上式の遠心ポンプを用いたCentriMagが米国で使用されているNojiir C, Kijima T, Maekawa J, Horiuchi K, Kido T, Sugiyama T, Mori T, Sugiura N, Asada T, Ozaki T, Suzuki M, Akamatsu T, Akutsu T. Terumo implantable left ventricular assist system: results of long-term animal study. ASAIO J. 2000 Jan-Feb;46(1):117-22.日本では社の遠心ポンプであるROTAFLOWを体外設置型VADとして用いた報告もある。（Kashiwa K, Nishimura T, Saito A, et al: Left heart bypass support with the Rotaflow Centrifugal Pump as a bridge to decision and recovery in an adult. J Artif Organs, 2012.）。一方軸流ポンプ型では回転するインペラ軸の前後に発生する揚力により血液を駆出する機構を持つ。軸流ポンプはインペラの高速な回転を要するものの、小型化には遠心ポンプ型より有利である。代表的な機種はHeartMate IIやJarvik 2000などがあるMoazami N, Fukamachi K, Kobayashi M, Smedira NG, Hoercher KJ, Massiello A, Lee S, Horvath DJ, Starling RC. Axial and centrifugal continuous-flow rotary pumps: a translation from pump mechanics to clinical practice. J Heart Lung Transplant. 2013 Jan;32(1):1-11. doi: 10.1016/j.healun.2012.10.001.。経皮的VADのインペラはカテーテル内に羽根車とモーターを備える軸流ポンプの定常流である。

適応

左心補助（LVAD）・右心補助（RVAD）・両心補助（BiVAD）

臨床において実施されるVADの大半は左心補助（LVAD）であり、本稿では以下断りのない限り単にVADと表記する。両心補助（BiVAD）は右心不全・左心不全が合併している症例に対して行うが、左心補助が強力な機器であれば左心補助単独で安定した循環動態が得られることも多い。また高度両心不全の症例では呼吸不全が合併していることが多く、通常の両心補助では動脈血の十分な酸素化が得られないため体外式膜型人工肺（ECMO、エクモ）を併用しなければならないこともあり、その場合左心補助に加えて右心補助（RVAD）として遠心ポンプに膜型人工肺を接続して右心補助を行う（RVAD-ECMOと呼ばれる）。呼吸不全が改善されればRVAD離脱可能となりLVADのみで血行動態を安定させることが可能となることが多いが、呼吸不全が改善しても右心不全が強い場合は、その時点で体外設置型VADに切り替え長期のRVAD補助を行うことになる。経皮的VADであるインペラは、2016年に日本で薬事承認を取得し、2019年現在、心原性ショック等の薬物療法抵抗性の急性心不全に対して適応される。

適応病態

VADの適応病態としては、開心術後の心不全症例、心筋梗塞後、心移植までのブリッジ（BTT: bridge to transplant、心移植までのつなぎのための使用）、心移植の代替としての永久使用（DT: destination therapy）などがある。日本においては、1997年に心移植が再開されるまでは開心術後の体外循環離脱困難や低心拍出量症候群、劇症型心筋炎などが主流であったが、心移植再開後は日本でもブリッジとしての使用が主流となっているFrederick A. Hensley, Jr. 他, 新見能成 監訳. 心臓手術の麻酔 第3版. メディカル・サイエンス・インターナショナル. pp626-639. ISBN 4-89592-373-8.。主な適応疾患としては心筋症（拡張型心筋症、肥大型心筋症、その他の特発性心筋症、二次性心筋症、虚血性心筋症など）、致死的不整脈による血行動態破綻、また単心室症、大血管転位症、右室流出路狭窄疾患などの先天性心疾患が挙げられる。