人工弁

心臓の解剖と働き

　心臓は肺や全身に血液を送り出す筋肉で来たポンプです。心臓には四つの部屋があり、右の心臓、左の心臓にそれぞれ心房と心室があります。全身から心臓に向けて還ってきた黒っぽい静脈の血液はまず右側の心臓に入り、右心房（右房）、右心室（右室）を通ったあと心臓の部屋の収縮により静脈血が肺動脈を通って肺に送られます。肺に送られた血液は呼吸により取り込まれた酸素と血液中の二酸化炭素を交換し、ここで血液が酸素化されます。酸素化された血液は静脈血と違い鮮やかな赤い色になって左側の心臓に戻ってきます。血液は左心房（左房）を経て左心室（左室）に入り、左心室の強力な収縮により赤く酸素化された血液が大動脈を通って全身に送られ、体中の組織に酸素や栄養分を運びます。かわりに二酸化炭素や老廃物を受け取ると静脈血となって再び右の心臓に還ってきます。このように心臓は全身の臓器に血液をおくる筋肉でできたポンプです。この血の流れをスムーズに効率よく行うために心臓の中には四つの弁があます。右房と右室の間にある‘三尖弁’、右室と肺動脈の間にある‘肺動脈弁’、左房と左室の間にある‘僧帽弁’、そして左室と上行大動脈の間にある‘大動脈弁’です。これらの弁の働きにより血液を先に先に効率よく送り出せるようになっています。心臓は生まれてから死ぬまで、起きている時も寝ているときも肺や全身に血液を送り続ける筋肉のポンプとも言えます。通常人の脈拍数は一分間に60回～90回なので、一分間70回の心拍数だとすると、一時間で4200回、一日で10万800回、一か月で302万4000回、１年で3679万2000回、10年で何と3億7000万回近くの収縮拡張を繰り返すので心臓はとても働き者の臓器なのです。心臓弁はそれと同じだけの開閉を繰り返していることになり生体の心臓弁は大変な耐久性を持っていると言えます。
　本来、心臓弁は心臓の収縮拡張にあわせて血液を送り出すときにはしっかり開き、閉まるべき時にはしっかり閉じて血液が逆流するのを防ぐ一方向の血の流れを作り出す装置として働きます。心臓の筋肉はその刺激伝達系によって電気的に興奮し規則的に収縮、拡張を繰り返し、そのポンプ作用によって血液を肺や体中に送り出します。まず拡張期には心房が収縮して、心房内の圧力が高まり房室弁（僧帽弁、三尖弁）が開いて血液が心室内へ流れ込みます。次に収縮期に心室が収縮を始めると房室弁が閉鎖、大動脈弁と肺動脈弁が開いて、心室内の血液が動脈（大動脈、肺動脈）へ流れます。しかしさまざまな原因により、弁が固くなり狭くなったり、弁がきちんと閉まらず逆流をおこしたりして心臓に大きな負担をかける心臓弁膜症が起こることがあります。こうなるとお薬では根本的に弁の働きを回復させることが不可能なために、手術をして悪くなった弁の働きを回復させることが必要です。心臓弁膜症の外科手術（開心術）では人工心肺という器械を使い心臓を止めて行う弁形成術（自分の弁を修繕する手術）と弁置換術（人工的に作った弁で置き換える手術）があります。弁の修繕が難しいときには後者の弁置換術を行うことになるのですが、その時に使うのが今回解説する人工弁です。新しい治療として開心術ではなくカテーテルという管の先に折りたたんだ生体弁を取り付けて、カテーテルを用いて生体弁を大動脈弁や肺動脈弁に置いてくる治療も行われています。

心臓弁膜症

　心臓弁膜症の原因としては先天性のものと後天性のもの（リウマチ性、変性、石灰化、心筋梗塞など）があります。現在の日本では抗生物質治療の進歩のおかげで細菌感染が引き金となるリウマチ熱を原因とする弁膜症は激減しました。しかし高齢化のために石灰化により弁が硬くなって起こる大動脈弁狭窄症や、弁変性により組織が弱くなって起こる僧帽弁閉鎖不全症などが増加しています。弁膜症があるからといってすぐに手術が必要となるわけではなく、弁膜症の程度が軽かったり、症状が軽い場合はお薬を飲んだり塩分制限をしつつ内科的に経過観察をすることができます。しかし、弁の病変そのものは内科的治療でよくなることはありませんので、心臓の筋肉まで弱ってしまう前に手術で弁の働きを良くすることが必要となります。心臓弁は正常では非常にしなやかなヒラヒラとした膜様の組織ですが、上述したような原因でこれが硬くなって開きにくくなり血液の通り道が狭くなった状態を「狭窄」、しっかりと閉じるべきときに閉じが悪くなって逆流してしまった状態を「閉鎖不全」と言います。弁膜症の手術は、弁の働きを回復させて心臓の負担を取り除いてあげることを目的とします。心臓弁の手術には自分の弁を修繕する弁形成術と人工弁などで心臓弁を置き換える弁置換術の２つがあります。弁形成術は主に僧帽弁閉鎖不全症と三尖弁閉鎖不全がその対象となります。大動脈弁閉鎖不全については、近年形成術症例も少しずつ増えてきています。弁形成術は抗凝固療法がいらない、血栓塞栓症の発生が少ない、感染に強い、仮に再手術になっても容易にできるなどの利点があります。大動脈弁手術では自分の肺動脈弁を使う方法や亡くなった方の心臓弁を使うこともまれにはありますが、多くの場合人工的に作った弁（人工弁）を使って人工弁置換術を行います。人工弁には機械弁や生体弁の2種類があり、機械弁、生体弁それぞれ長所や短所があり、患者さんの年齢、状態、ライフスタイルによりどちらかを選択することになります。

人工弁の種類

　機械弁：1953年に人工心肺を用いた開心術が始まってから本格的な心臓手術の歴史が始まるのですが、人工弁を歴史的にみると1960年代前半から約20年間のゴールドスタンダードであり世界中で広く使用されたかごの中をボールが行ったり来たりするボール弁（ラムネのビー玉のようなもの）（図2）や、一枚の板が斜めに開いたり閉じたりする一葉弁が使われていました。しかし弁の開閉に伴う機械的ストレスに対する耐久性や血液の流れのスムーズさという血行動態の点から現在最も使われている機械弁は、スペースシャトルなどにも使われているという特殊な素材（パイロライトカーボン）でできている二葉弁です（図3）。これは二枚の板が心臓の収縮拡張にあわせて血の流れにより開いたり閉じたりするものです。機械弁の良いところは長持ちすること（人の寿命よりももつといわれています）ですが、機械弁のところに血栓（血の塊）ができやすいという欠点があります。血栓とは血管内の血液が何らかの原因で塊を形成することであり、通常は主に血管壁が傷害されることにより起きますが、異物である人工物の素材にも血栓ができやすいのです。機械弁に血の塊（血栓）ができてしまうと、人工弁が開きにくくなったり開いた状態で固定して逆流がおきたり、血栓が外れて体の血管を詰めてしまう血栓塞栓症を引き起こしたりします。脳の血管が詰まると脳梗塞が起きてしまいます。このため機械弁を使用した場合はワーファリンという血を固めないためのお薬を一生のみ続けなくてはならない（抗凝固療法が必要）という欠点があります。また患者さんによってはカチカチっという弁の開閉音が気になるという方もおられます。本来、生体の心臓弁はひだ状のヒラヒラの構造物であることで血液の流れを邪魔することなくスムーズな血の流れを作り出すとともにしっかりと逆流を止めるという働きを生涯に渡って繰り返すことになりますが、しなやかさと耐久性という二つを人工的に同時に達成することは大変困難であり、機械弁は生体の人工弁とは似ても似つかぬ形になっています。

　生体弁：生体弁は豚の心臓弁や牛の心膜（心臓の周りにある膜様の袋）を採取し抗原性や石灰化を予防するために特殊な処置をしたものが使われています。金属製の型をもつステント弁（図4）と金属製の型がないステントレス弁（図5：豚の大動脈弁を大動脈基部を含め一塊として取り出し処理したもの）がありますが、後者は最近使われることは激減し現在ステント弁が世界的にも最も多く使われています。生体弁は血の塊ができにくいので心房細動などの不整脈などがなければワーファリンを飲まなくてもいいという利点がありますが、機械弁ほど長持ちはしないという欠点があります。弁の場所や年齢にもよりますが10年から20年して弁が悪くなった場合、再手術が必要になります。近年、後述するカテーテル人工弁の技術を応用し劣化した生体弁の中にカテーテル治療で新しい生体弁を置いてくる治療（Valve-in-valve法）ができるようになりました。これはすべての症例に適応できるわけではありませんが年齢や病態によっては低侵襲なこの治療が増えることが期待されます。

　一般に人工弁を置換する場合、人工心肺を用いて心臓を停止させて、自己の悪くなった弁を切り取って人工弁（機械弁か生体弁）を縫い付けてくるのですが、近年縫い付ける手間を省き素早く留置できる新しい弁（Rapid Deployment Valve）というものが登場しています。これは後述するカテーテル人工弁の技術を応用したもので、折りたたんだ生体弁をシャフト（棒）の先端にとりつけ自己弁を取り除いたところに持って行き、生体弁を拡張し留置させるもので（図6）、手術時間を多少短縮させることができます。[2]

　特殊なものとして、動物ではなく人の遺体から取り出して抗生剤処理などをした後に凍結保存した心臓弁を使う場合もあります。これをホモグラフトと呼びますが血行動態に優れ、ワーファリンを必要としない、細菌による感染にも強いなどの利点がある一方、これを採取し保存、提供するといったシステムが日本ではまだ広く行き渡っているとは言えず、使用は心臓弁感染などの特殊な例に限られています。

※機械弁でも生体弁でもありませんが、我が国の小児心外科領域では右室流出路再建（肺動脈近辺の手術）においてePTFE（ゴアテックス）弁付きグラフトを用いた手術が行われ良好な成績が報告されています。[3]

新しい人工弁治療（カテーテル人工弁：生体弁）

　世界的に先進国の人口高齢化が進む中で、高齢化とともに心臓弁膜症の発症率が増加し、中でも大動脈弁狭窄症は最も多い弁膜症となっています。このような状況の中、全身状態や予備能低下のために手術適応から除外され手術を受けることができない高齢者重症大動脈弁狭窄症の患者さんも増加しています。またさまざまな理由で手術まで回ってこない高齢の患者さんも相当数にのぼると思われます。しかし80才以上の重症大動脈弁狭窄症患者さんにおいては内科的フォローアップ群に比べ、明らかに手術による大動脈弁置換群の方が生存率が高くなっているという研究結果があります。とはいえ80才以上の高齢者大動脈弁置換術は若い人に比べ高い死亡率となっているのも事実です。これまで人工弁を心臓に植えるためには、胸を開いて人工心肺という器械の補助のもと、心臓を止めたうえでの開心術（心臓手術）による人工弁置換手術をしなければなりませんでしたが、これまでになかった心臓を止めない低侵襲のカテーテル操作による大動脈弁位人工弁（生体弁）装着が開発され、日本でも2013年より実用化されました。カテーテルを入れるためのアクセス法は、主に経大腿動脈（太ももの血管）（図7a）と経心尖部（左胸を開いて直接心臓へ）（図7b）のアプローチがありますが、現在多くの症例で前者による方法が取られています。症例によっては左開胸による心尖部アプローチや上行大動脈、鎖骨下動脈からのアプローチがとられることもあります。稀ではありますが本処置に伴うさまざまな重篤な合併症の問題やその耐久性など今後解明されなければならない点もあります。

　この治療法は、当初手術による大動脈弁置換術に耐えることができない状態の悪い高齢者重症大動脈弁狭窄症患者さんのみがその適応となっていましたが、近年よりリスクの低い若年患者へとその適応が拡大されてきています。欧米ではカテーテル僧帽弁置換術の開発も盛んに行われています。また、現在生体弁を移植後時間が経って耐久年数を超えると再手術による弁の交換が必要になりますが、高齢で再手術が難しくなった患者にも生体弁の中にカテーテルで新しい生体弁を植え込むというValve-in-valveという方法もあり、症例によってはこの低侵襲治療が選択されることが増えることが期待されます（全例できるわけではありませんが・・・）。ただ、現時点でカテーテル人工弁は既存の人工弁の数倍の値段であり、医学的問題点以外に我が国における持続的な医療経済システムの維持という意味からも、その適応に関して今後しっかりと議論しなくてはならないでしょう。

※先人先天性心臓病治療において肺動脈弁治療でのカテーテル人工弁治療が行われておいます。これは主に、乳幼児期に自己の右室流出路から肺動脈組織を温存して外科手術を受けた重度の肺動脈弁逆流症の患者さんに対して、カテーテルを通じて肺動脈弁を留置するデバイスです。材質にはブタ心膜が使用されています。[4]

人工弁の選択

　機械弁、生体弁という2種類の選択にあたっては患者さんの年齢、状態、ライフスタイルなどを考慮し患者さん自身がその選択の決定を行うことが大切であると思います。若い人で生体弁を入れると高齢者に比べその耐久期間は短くなるため何度も再手術を受けることになります。一方、高齢者では心臓以外にも他の病気で手術を受けることがどうしても多くなりますが（胃や腸の手術、骨折など整形外科的手術など）、ワーファリンを飲んでいると手術の際に血が止まらなくなるため、手術の数日前からワーファリンをやめなければいけません。その時に機械弁が入っていると機械弁の周りに血の塊ができる恐れもあり、ワーファリンを再開することで手術部位の出血が誘発されることもあります。また、ご高齢になると血管が弱くなり、目に見えない部位（脳や消化管）の出血があるとあっという間に出血が広がり命に関わる恐れもあります。また一人暮らしなどで薬を飲み忘れたり飲みすぎたりすると血栓ができたり脳出血がおきたり大変なことになりかねません。以上のような理由から、一般的には、若い人は機械弁、お年寄りは生体弁を選択することが多くなります。その線引きはおおざっぱにいうと65歳ということになっています。しかし、若くても活動的な趣味（山登り、スキー、バイク、ラグビーなど）を続けたいという患者さんは、怪我をした時に大変なことになるのでワーファリンを決して飲みたくないという理由から、再手術を覚悟したうえで敢えて生体弁を選ぶという方もおられます。またワーファリンを飲むと納豆や青汁、クロレラなどを取ってはいけない（薬が効かなくなる）ため、納豆が食べられないなら死んだ方がまし、という理由で生体弁を選ぶ方も実際おられます（少数ですが・・・）。一方、絶対に再手術は受けたくないということでご高齢でも機械弁を選ばれる方もおられます（機械弁だからと言って再手術がないとは限りませんが・・・・）。これまでは上記のように機械弁か生体弁かの選択だけで良かったのですが、近年は年齢や病態によっては同じ生体弁でも開心術かカテーテル治療かの選択を迫られることもあります。カテーテル治療という新たな選択肢が加わったことで、人工弁置換における将来的なValve-in-a-valveを期待して、機械弁か生体弁かの選択に当たって比較的若年であっても心臓弁置換術の際に生体弁を選択するといった選択傾向の変化も見られます。
　最近はインターネットの普及とともに患者さん自身が多くの予備知識を持ったうえで病院を受診されることが多くなっています。どのような人工弁を使うかは「お医者さんにお任せします。」といったことが多かったものです。しかし心臓弁膜症治療における治療法（手術かカテーテルか）や弁選択に関してはお医者さんが自分の考えを患者さんに押し付けるのではなく、また患者さんがお医者さんに任せっきりにするのでもなく、再手術の可能性や危険性、生涯にわたるワーファリン服用とQOL（生活の質）、患者さん自身のライフスタイル、人生観などを含めた十分なディスカッションを行い、患者と医師の深い信頼関係のもと、最終的には患者さん自身がその決定を行うことが大切です。人工弁と付き合っていくのは、お医者さんでもなく家族でもなく患者さん自身なのです。ただし病態や解剖学的理由から患者さんの希望に添えず治療法や人工弁の種類が決まってしまう場合も稀にあることを付記しておきます。

おわりに

　再手術を必要としないような耐久性がありかつ抗凝固療法も必要ないという夢の人工弁はまだ現時点で開発されていませんが、血行動態や耐久性の改善、より低用量の抗凝固療法で済む人工弁の開発は引き続き行われています。また、既に手術ではなくカテーテル操作で人工弁留置を行うという低侵襲の治療が実現されており、この流れは益々強くなると思われます。今後の医学技術の進歩により、今後より安全で低侵襲な心臓弁膜症治療が可能になってくることが期待されます。

引用文献：
1．本文は「人工臓器は、いま」（増補新訂版；日本人工臓器学会編、2012年、はる書房、東京）、第2章01人工弁、より抜粋、改定したものです
2．White A, Bozso SJ, Lakey O, et al. Rapid deployment valves versus conventional tissue valves for aortic valve replacement, J Thorac Cardiovasc Surg, 2022 Jun;163(6):2036-42
3．Miyazaki T, Yamagishi M, Maeda Y, et al. Long-term outcomes of expanded polytetrafluoroethylene conduits with bulging sinuses and a fan-shaped valve in right ventricular outflow tract reconstruction. J Thorac Cardiovasc Surg. 2018; 155:2567-76
4．Benson LN, Gillespie MJ, Bergersen L, et al. Three-year outcomes from the harmony native outflow tract early feasibility study. Circ Cardiovasc Interven. 2020;13(1):e008320

（JCHO九州病院心臓血管外科　徳永滋彦）