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趙芮可正在血管模型中測試旋轉(zhuǎn)取栓裝置丨斯坦福大學(xué)趙芮可實驗室

撰文 | 黃雨佳

審校 | 趙芮可 clefable

你有沒有發(fā)現(xiàn)，腦梗、心梗等曾經(jīng)被視為老年人專屬的突發(fā)性疾病，如今已經(jīng)悄悄地盯上了越來越多的年輕人。而在它們背后，常常藏著同一個元兇：血栓。根據(jù)“世界血栓形成日”（World Thrombosis Day）網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，全球有1/4的人死于血栓形成引起的疾病。

想象一下，你的血管里突然出現(xiàn)了這樣一塊黏糊糊的、半固體狀的“不速之客”，它會堵住血管，造成局部組織缺血壞死。如果它堵住的是供養(yǎng)心臟的冠狀動脈，那么就可能引發(fā)致命的心肌梗塞；堵住的是腦動脈，則可能引起缺血性腦卒中，也就是我們熟知的“腦?！薄?/p>

出現(xiàn)此類情況后，醫(yī)生通常會第一時間使用藥物嘗試溶栓。但溶栓藥物也有窗口期，如果錯過了最佳時機，血栓會變得穩(wěn)定而頑固，溶栓不僅無效，反而可能引發(fā)血管破裂等嚴(yán)重并發(fā)癥。這時候，就需要醫(yī)生通過機械的方式，盡快地“疏通”血管。

在一篇近期發(fā)表于《自然》（Nature）的論文中，美國斯坦福大學(xué)（Stanford University）的趙芮可團隊開發(fā)了一種快速疏通血管、取走血栓的方法。他們設(shè)計出了一種直徑僅為1毫米左右的微型結(jié)構(gòu)，讓它在導(dǎo)管的輔助下瘋狂旋轉(zhuǎn)，就能在短短幾秒內(nèi)將血栓壓縮至原來體積的5%，從而輕而易舉地吸走血栓，讓血管恢復(fù)暢通。

趙芮可團隊開發(fā)的旋轉(zhuǎn)取栓裝置丨斯坦福大學(xué)趙芮可實驗室

詭異的現(xiàn)象

趙芮可團隊原本一直專注于軟體機器人的研究。2022年，他們發(fā)明了一種靈感源自折紙藝術(shù)的微型機器人。這個機器人只有指甲蓋大小，呈六邊形的中空結(jié)構(gòu)，側(cè)面留有空隙，頂部還嵌入了一塊磁鐵。當(dāng)外界施加磁場時，它就能不停地旋轉(zhuǎn)，并以此獲得向前的推動力，從而在地面和水中完成跳躍、游動等不同任務(wù)。

趙芮可團隊開發(fā)的折紙機器人能在地面和水中完成各種任務(wù)丨原論文

但與其他單純向前行進的機器人不同，這種中空側(cè)面帶縫隙的設(shè)計，使得這種折紙機器人還會在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生強大的負(fù)壓，就像一個微型漩渦，能將面前的水吸入腔體，再從側(cè)面的縫隙甩出去。趙芮可形容道：“它就像一個洗衣機在滾筒內(nèi)產(chǎn)生渦流，只不過洗衣機沒法把水甩出去。”

正是這種強大的吸力，引起了趙芮可團隊的濃厚興趣。趙芮可開始設(shè)想：如果能把這種裝置做得足夠小，小到可以讓它自由地穿行于血管之中，那么是不是就能像吸塵器吸走垃圾那樣，吸走那些堵住血管的血栓？

這種設(shè)想并非天方夜譚。事實上，用“吸”的方式清除血栓，早已是臨床上機械取栓的主流方案之一，也被稱為“血栓抽吸術(shù)”（aspiration thrombectomy）。使用這種方法時，醫(yī)生會將一根導(dǎo)管小心地送入血管，一直深入到血栓所在的位置，然后就像使用吸塵器一樣，直接將血栓吸走。

另一種常用的取栓方式是“支架取栓術(shù)”（stent retriever），這種方法更像是撒網(wǎng)捕魚。導(dǎo)管抵達血栓后，會先將一個處于折疊狀態(tài)的支架繞過或者穿過血栓，然后展開支架，使其像網(wǎng)兜一樣套住血栓，然后連同支架一同拖回導(dǎo)管內(nèi)，從而“撈”出血栓。

血栓抽吸術(shù)和支架取栓術(shù)丨原論文

而趙芮可團隊決定將他們的微型機器人用于血栓抽吸。首先，他們將裝置的直徑縮小到了1毫米左右，只有這樣，才能確保它可以順利進入大腦中較大的血管（直徑約為3～5毫米）。其次，他們提取了折紙機器人結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的要素——空心和側(cè)面開槽，設(shè)計了一種帶有側(cè)面開口的管狀結(jié)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)取栓裝置的設(shè)計原理丨原論文

一切看起來都非常合理。然而，當(dāng)趙芮可的博士研究生滿懷期待地用這個精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)去測試血栓抽吸時，情況卻沒有按預(yù)期的方向發(fā)展。的確，這個裝置成功吸住了血栓。但隨著裝置持續(xù)旋轉(zhuǎn)，血栓出現(xiàn)了一種詭異的變化：血栓不僅顏色越來越白，體積也越來越小了！這一反?，F(xiàn)象立刻引起了趙芮可的注意。這究竟是怎么回事？他們決定深入到血栓的微觀結(jié)構(gòu)中尋找答案。

意外之喜

如果我們用肉眼觀察，血栓就像一團深紅色的果凍。但如果放在顯微鏡下，你會發(fā)現(xiàn)其中含有大量紅細(xì)胞和少量其他成分。但更重要的是，血栓之所以能保持半固體的形態(tài)，關(guān)鍵在于其核心骨架——纖維蛋白。如果你看過動畫片《工作細(xì)胞》，或許會對其中可愛的血小板編織成的纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)印象深刻。正是這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將血液中各種成分牢牢兜住、捆綁在一起，從而形成了穩(wěn)定的血栓。

在動畫片《工作細(xì)胞》中，血小板正在編織纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)

在顯微鏡下，趙芮可團隊對處理前后的血栓進行了細(xì)致對比。他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過裝置處理后，血栓中的紅細(xì)胞都消失不見了，這正是血栓顏色變白的原因。與此同時，那些構(gòu)成血栓骨架的纖維蛋白也變得異常致密，像是被什么力量“壓實”了一樣。

一個畫面隨即浮現(xiàn)在了趙芮可的腦海中：一雙大手，正在反復(fù)搓揉一團松散的棉花。隨著不斷揉搓，棉花變得越來越小，最終變成了一個小小的棉球。原來如此！他們的裝置在工作時，產(chǎn)生了兩種關(guān)鍵的力量：一種是負(fù)壓帶來的壓力，另一種則是旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的摩擦力。正是這兩種力量的共同作用，把血栓搓緊、搓小了。

旋轉(zhuǎn)取栓裝置把血栓搓緊、搓小了丨原論文

可另一個疑問也隨之而來：如果纖維蛋白被搓小了，那么原本被困在其中的紅細(xì)胞又去了哪里？經(jīng)過大量的實驗，研究團隊最終證實，紅細(xì)胞并沒有被破壞，而是在裝置高速旋轉(zhuǎn)的過程中，從不斷致密化的血栓纖維中被擠了出去。

這些發(fā)現(xiàn)讓趙芮可團隊意識到，他們的裝置擁有現(xiàn)有機械取栓方法難以比擬的優(yōu)勢。首先，不同血栓中纖維蛋白的含量差異很大，這直接導(dǎo)致了血栓的硬度也各不相同。在臨床上，血栓越硬，機械取栓的難度就越大。面對這些頑固的硬血栓，無論是傳統(tǒng)的抽吸術(shù)還是支架取栓，成功率都極低，根本無法應(yīng)對。

但更棘手的是，傳統(tǒng)的機械取栓方法還有一個潛在的風(fēng)險：血栓碎裂。趙芮可解釋道：“要把一個堵住血管的血栓吸進或者拉入導(dǎo)管，也就意味著要把一個直徑接近甚至超過血管截面的東西，強行塞進一個直徑小于血管的容器里。也就是說，這些方法要么需要讓血栓變形，要么得讓它碎裂?！?/p>

而一旦血栓碎裂，形成的碎片很可能就會順著血液漂流，有可能堵塞遠(yuǎn)端更細(xì)小的血管。這不僅會讓血栓變得更難處理，還可能帶來一系列嚴(yán)重的后遺癥。事實上，對于大多數(shù)腦?；颊邅碚f，堵塞他們大腦血管的血栓并非在大腦中形成，而往往是身體其他部位的血栓碎片漂流到了大腦，最終堵住了腦血管。

安裝在導(dǎo)管前端的旋轉(zhuǎn)取栓裝置丨斯坦福大學(xué)趙芮可實驗室

相比之下，趙芮可團隊的新方法則完美地避免了這些風(fēng)險。他們的策略并非讓血栓變形或者碎裂，而是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓和剪切力的聯(lián)合作用，直接讓血栓極速變小，從而能輕松地被導(dǎo)管吸走，沒有破裂風(fēng)險。不僅如此，即便是質(zhì)地堅硬、富含大量纖維蛋白的血栓，這種方法也能輕松應(yīng)對。

初步驗證效果之后，芮可團隊立刻著手在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化。經(jīng)過上百次的重新設(shè)計和上千次的取栓實驗，他們最終研發(fā)出了一種能夠直接加裝到目前臨床機械取栓導(dǎo)管上的旋轉(zhuǎn)裝置。結(jié)合導(dǎo)管本身強大的抽吸能力，這一微型裝置能在短短幾秒內(nèi)將血栓壓縮至原體積的5%，這無疑將大大提升機械取栓的速度和成功率。

旋轉(zhuǎn)取栓裝置能在短短幾秒內(nèi)將血栓壓縮至原體積的5%丨斯坦福大學(xué)趙芮可實驗室

邁向臨床

如今，趙芮可團隊正加快推進這項技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化，現(xiàn)在已經(jīng)有一家新公司在進一步優(yōu)化這種裝置的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。趙芮可表示，她希望這種裝置能在未來幾年內(nèi)進入臨床試驗階段。

與此同時，研究團隊也在探索這種“旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓”裝置的更多應(yīng)用場景。例如，除了成功率低和可能造成血栓破碎，當(dāng)前臨床機械取栓的另一個巨大挑戰(zhàn)在于，取栓導(dǎo)管的直徑通常在2毫米左右，且具有一定的剛性，這使得它們難以深入大腦深處那些更蜿蜒曲折和細(xì)小的血管。為此，趙芮可團隊也在開發(fā)一種無需導(dǎo)管、僅靠磁力驅(qū)動就能旋轉(zhuǎn)前進的微型取栓裝置。未來，這種技術(shù)或許能幫我們解決目前束手無策的細(xì)小血管血栓問題。

與此同時，他們也在嘗試將這套機制應(yīng)用于另一類疾病——結(jié)石。目前，在用體外沖擊波或激光擊碎腎結(jié)石或輸尿管結(jié)石后，醫(yī)生除了讓患者通過尿路自然排出碎石，另一種方式是使用吸引裝置或取石籃取出碎石。然而，這些取石方式往往效率低下。而趙芮可團隊的微型旋轉(zhuǎn)裝置，則可以一次性吸取幾十顆破碎結(jié)石，大幅提升了取結(jié)石的效率。

裝置利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓吸取破碎的結(jié)石丨斯坦福大學(xué)趙芮可實驗室

回望這項技術(shù)誕生之初的意外發(fā)現(xiàn)，趙芮可坦言，真正的創(chuàng)新往往并不來自一開始就設(shè)定好的目標(biāo)。她說：“許多研究剛發(fā)表時，看上去只是過于超前的新概念，短期內(nèi)看不到用途。的確，其中很多最終未必能進入實際應(yīng)用，但這并不代表它們沒有意義。這些研究會激發(fā)新的研究思路，帶來更多的靈感，而其中總有一些會真正落地、改變現(xiàn)實?！?/strong>

參考文獻

[1]https://www.worldthrombosisday.org/know-thrombosis/

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-022-30802-w

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09049-0

封面圖片來源：unsplash+

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