用胶水修复孩子的心脏

作者：杨立中

玛丽亚·佩雷拉（Maria Nunes Pereira）

获奖年份： 2014

获奖时年龄： 28

获奖时职位： Gecko Biomedical黏合剂部门负责人

获奖理由： 用胶水粘住患病婴儿心脏上的漏洞。

2009年8月的一个晚上，波士顿儿童医院（Boston Children’s Hospital）的心脏外科手术专家佩德罗·德尼多（Pedro del Nido）医生给哈佛-麻省理工卫生科学与技术部（Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology, HST）教授杰弗里·卡普（Jefrey Karp）发了一封邮件 [1] 。在邮件中，佩德罗·德尼多希望杰弗里·卡普帮忙解决一个棘手的难题。几乎每100位新生儿中，就有1人患有致命的先天性心脏病 [2] 。当为患儿做开胸手术时，佩德罗·德尼多发现自己很难缝合儿童心脏上的漏洞。新生儿的心脏只有自己的拳头那么一点点大，心肌组织极其脆弱，任何缝合线或吻合器都可能导致漏洞和创口旁边的组织撕裂。而缝合线也无法随着年龄的增加和心脏的生长而伸长，为了修补而进行的进一步手术则会带来更多的损伤。

佩德罗·德尼多之所以找到杰弗里·卡普，是因为杰弗里·卡普曾经发明过一种可以取代缝合线的手术胶带，因此佩德罗·德尼多认为杰弗里·卡普很有可能解决自己的难题。杰弗里·卡普和他的同事是从壁虎的脚掌上获得灵感的，在胶带的表面上制造无数纳米结构的聚合物小柱体。这些柱体模仿壁虎脚掌上直径不到一纳米的刚毛的功能，可以牢牢粘住光滑、湿润的人体组织，还可以在创口愈合之后自行降解，不留下任何痕迹。这个颠覆性的学术发明使杰弗里·卡普被授予了“2008年《麻省理工科技评论》35位35岁以下科技创新青年”称号 [3] 。

然而，杰弗里·卡普的胶带却无法满足佩德罗·德尼多的超高要求。与人体其他器官不同，心脏以不到1秒就跳动1次的极高频率剧烈地收缩和舒张，让血液能够以极快的速度流遍全身。杰弗里·卡普的胶带可以粘住静止的组织，却堵不住心脏上的漏洞。因此，如果要完成这个任务，用来堵住心脏漏洞的材料除了要有超强的黏性之外，还必须具有极高的强度和弹性，否则会在心脏剧烈的伸缩中，被像飓风一样的高压、高速血流轻松冲走。

杰弗里·卡普把这项艰巨的任务交给了一位通过麻省理工-葡萄牙 [4] 项目(MIT Portugal Program)进入自己实验室的年轻博士——玛丽亚·佩雷拉。做出这个决定的时候，可能杰弗里·卡普自己也没有想到玛丽亚·佩雷拉不仅很快就发明了一种手术胶水，成功地解决了这一难题，还把这项技术变成了商业化的产品，进而带入临床试验，更在2014年成为杰弗里·卡普实验室的第4个被授予“《麻省理工科技评论》35位35岁以下科技创新青年”称号的人。在玛丽亚·佩雷拉之前，杰弗里·卡普的实验室已经有3个人获此殊荣，分别为杰弗里·卡普本人（2008年）、他的博士后学生赵伟安（Wei’an Zhao，2012年）和布莱恩·劳力希（Bryan Laulicht，2012年），堪称传奇。

为搏动的心脏堵上漏洞。图中所示的漏洞位于左右心室之间，当心脏跳动的时候会有血液通过漏洞流向另一侧的心室，导致人体供血不足。为了堵住这个漏洞，传统的方法是使用缝合线或者吻合器，但对于极其脆弱的儿童心脏来说，这些方法很容易造成周围组织的撕裂。玛丽亚·佩雷拉发明的HLAA（疏水性光活化黏合剂）可以有效解决这一问题。首先，液态、疏水的黏合剂被涂抹在漏洞上，之后使用紫外线照射进行固化，就可以形成一层高弹性、不会被高压血液冲走、可降解、无毒性的黏合剂薄膜（图片来源于MIT EmTech）

玛丽亚·佩雷拉是在葡萄牙的莱里亚（Leiria） [2] 长大的。2008年，玛丽亚·佩雷拉在拥有数百年历史、久负盛名的科英布拉大学（Universidade de Coimbra）获得药学硕士学位之后，通过麻省理工-葡萄牙项目进入哈佛-麻省理工卫生科学与技术部杰弗里·卡普的实验室攻读博士。这个决定不仅改变了她的人生，更有可能改变人类进行手术的方式。

面对导师交给自己的这个棘手的问题，玛丽亚·佩雷拉首先列出了材料需要满足的条件。为了满足黏合心脏漏洞的特殊需求，这种黏合剂必须在湿润和动态的条件下维持足够的弹性与黏性，以随着心脏的跳动来收缩和舒张而不至于脱落；材料必须是疏水的，以防止血液附着在黏合剂的表面，影响黏合的效果甚至把黏合剂带走；其使用过程必须简单、方便、快捷，还得尽可能减少其他的附加损伤；此外，材料还必须是可生物降解且无毒的。

条件如此苛刻，使用手术胶带显然是不行的，需要全新的思路。如同之前发明胶带是受到了壁虎脚掌的启发一样，玛丽亚·佩雷拉和杰弗里·卡普再一次在大自然中寻找灵感。这回，给他们提供灵感的是蜗牛 [1] 。蜗牛在雨天也可以把自己黏附在树叶的表面，还在身后留下一串雨水冲刷不掉的尾迹。于是他们放弃了胶带，转向了一种全新的思路：液态且疏水的手术胶水。没有经过太久的等待，玛丽亚·佩雷拉便发明出一种胶水，满足了全部需求。

基于这项初步的研究成果，2013年，杰弗里·卡普在巴黎创办了一家科技公司Gecko Biomedical，继续开发手术用黏合剂。这家公司的4位创始人的光芒极其耀眼：除了年纪轻轻就成就颇高的杰弗里·卡普，另外三位主要创始人分别是麻省理工学院生物医学工程教授、摇滚明星一般的生物学家罗伯特·兰格（Robert Langer），众多生物科技公司的创始人伯纳德·吉利（Bernard Gilly）和克里斯托弗·班策尔（Christophe Bancel）。至于公司的名字Gecko，正是源于最早给他们提供了灵感的壁虎。

而此时的玛丽亚·佩雷拉已经在一家葡萄牙制药企业工作了近一年。Gecko Biomedical成立后，她搬到巴黎，担任黏合剂技术的负责人，继续负责手术胶水的开发。从麻省理工学院到Gecko Biomedical，玛丽亚·佩雷拉经过成千上万次试验，终于把一个天才的想法变成了商业化的产品。玛丽亚·佩雷拉通过将聚合物与光引发剂混合在一起，得到了一款修补心脏漏洞的完美解决方案：可降解、无毒性的疏水光活化黏合剂（Hydrophobic Light-Activated Adhesive，HLAA） [5] 。

黏合剂里的聚合物分子可以与人体组织表面的分子形成一种类似钥匙-锁 [6] 的连接，通过分子间的范德瓦耳斯力与氢键等附着力的作用，实现不同性质表面之间的强力黏合。而所谓的“光活化”，是指黏合剂的起效需要用光照来激活，这为黏合剂的操作提供了极大的便利。

使用时，手术人员无须对需要黏结的组织表面进行任何特殊的处理，直接将液态、黏度超高且不溶于水的黏合剂通过微创手术涂到需要黏合的漏洞或创口表面即可。这时的黏合剂里只有互相不连接的前聚合物 [5] ，还不具有太强的机械强度，可以随意延展与涂抹，让主刀医生能以适宜的厚度从容地涂满所有需要黏合的表面。涂抹完毕后，只需用紫外线照射一段很短的时间（5秒），就可以让液态黏合剂里的前聚合物互相连接，形成具有极强机械性能的微结构网络，把之前蜂蜜一般的黏合剂变成一块弹性、黏性俱佳的类似于固态的胶体薄膜。而如果照射30秒，则可以实现超强黏合。为了让这个过程变得更加方便，他们甚至设计出了一种类似于一支笔的手术设备，带有紫外线光源，可以方便地用于微创手术 [1] 。

在佩德罗·德尼多医生的帮助下，玛丽亚·佩雷拉和杰弗里·卡普在波士顿儿童医院进行了千百次动物实验 [7] 。2016年，创立仅3年的Gecko Biomedical就以比许多创业公司快得多的速度，让产品在欧洲进入了人体临床试验阶段，并希望在2017年拿到欧洲安全合格CE认证 [8] 。有如此颠覆性的技术，Gecko Biomedical融资自然不成问题。Gecko Biomedical在2016年完成A2轮2500万美元的融资之后 [9] ，总融资金额已经接近4000万美元。此外，它还得到了140万美元的无息贷款 [8] ，专门用来支持临床试验。一旦HLAA最终被成功推向市场，其前途将不可限量。

至此，玛丽亚·佩雷拉和杰弗里·卡普已经超额完成了佩德罗·德尼多交给的任务。这种黏合剂性能出众，除了可用于心脏手术外，还可以广泛应用于各种其他微创手术。但他们并不满足，其最终目标是用效果更好的黏合剂全面取代缝合线和吻合器，让这种自古埃及和古希腊时代就普遍使用的古老手术方法彻底告别手术台。

参考文献

[1] PARKER L.Inspired by nature:the thrilling new science that could transform medicine[EB/OL].https://www.theguardian.com/science/2016/oct/25/bioinspiration-thrilling-new-science-could-transform-medicine.

[2] BAJEKAL N.She may solve one of the oldest problems in surgery[EB/OL].http://time.com/collection-post/4037531/maria-pereira/.

[3] BOURZAC K.Jeffrey Karp,32[EB/OL].MIT Technology Review,2008(2008).http://www2.technologyreview.com/TR35/Profile.aspx?TRID=722&_ga=2.106854147.1434714037.1497287780-385837746.1489290409.

[4] MORRIS A.Maria Nunes Pereira,28 Patching holes in the hearts of sick infants[EB/OL].MIT Technology Review,2014(2014).https://www.technologyreview.com/lists/innovators-under-35/2014/inventor/maria-nunes-pereira/.

[5] LANG N,PEREIRA M J,LEE Y,et al.A blood-resistant surgical glue for minimally invasive repair of vessels and heart defects[J].Science Translational Medicine,2014,6(218):218ra6-218ra6.

[6] BLUESTEIN D,PH D,SLEPIAN M J.Sticking with synthetic tissue sealants[J].2014:14–17.

[7] BOURZAC K.Surgical glue to mend broken hearts[EB/OL].MIT Technology Review,2014.(2014).

[8] BIOMEDICAL G,BPIFRANCE.Gecko Biomedical receives 1.4 million euros in interest-free loan from Bpifrance to advance its bio-inspired surgical adhesive solutions[R].2017.

[9] BIOMEDICAL G,PARTNERS S,BPIFRANCE.Gecko Biomedical raises € 22.5 million led by Sofinnova Partners[R].2016. nujgwmFPlcb8kP2j1CEGlJuJ3bWXhbjVmRtWmwrAzAx0H5P7cS6wqXpBjksVkEUS