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用于大型动物模型的离体工作心脏系统

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DOI：

10.3791/51671

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2014年6月11日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Surgery, Duke University Medical Center, 2Department of Cardiothoracic Surgery, University Hospital of South Manchester

本文内容

摘要

大多数涉及朗根多夫装置的研究使用小型动物模型，因为较大哺乳动物系统的复杂性更高。我们描述了一种适用于大型动物模型的朗根多夫系统，该系统可用于多种物种（包括人类），并可相对简便地进行数据采集。

摘要

自20世纪90年代末问世以来th 世纪以来，朗根多夫离体心脏灌流装置以及随后发展的工作心脏模型，一直是研究心血管功能与疾病的重要工具1-15尽管朗根多夫心脏制备可用于任何哺乳动物心脏，但涉及该装置的大多数研究均采用小型动物模型（例如，小鼠、大鼠和兔）由于较大哺乳动物系统的复杂性增加1,3,11一个主要难点是在不同大小的心脏中维持恒定的冠状动脉灌注压——这是使用该装置进行任何实验的关键环节1,11通过使用离心泵替代传统的静水后负荷柱，下述的Langendorff工作心脏装置可实现灌注压力的便捷调节与精确控制，这意味着同一套装置可用于不同物种或不同大小的心脏。此外，该配置还可根据用户需求，在再灌注期间无缝切换恒压或恒流模式。尽管该装置的开放式设计使得温度调控较其他设计更为困难，但它便于收集流出液以及心室压力-容积数据。

引言

我们对心脏基本生物学和生理学的许多认识都源于利用离体逆向灌注的朗根多夫（Langendorff）心脏和离体工作心脏系统所开展的实验。这些实验系统至今仍被广泛使用，以进一步拓展我们在诸多重要领域的心血管知识，包括缺血-再灌注损伤2、预处理4、基于细胞的受损心肌治疗策略5,7、药物对心脏的作用6,9，以及心脏异体移植保存技术8,15-18。

尽管离体心脏系统可用于任何哺乳动物物种，但其主要应用于小型哺乳动物，如豚鼠、大鼠或兔3,12,13。较大的动物模型（如猪和人类）可提供更具临床相关性的数据，但由于成本更高、生物学变异性更大、所需灌注液的血量更多以及设备体积更大，这些模型的使用频率较低1,12-15。此外，数据采集更为困难，尤其是对于离体工作心脏模型1,3,12-15。由于这些复杂性，具有临床相关性的离体心脏模型极少被使用，严重阻碍了心血管转化研究的进展。

为了阐明这些复杂性，对离体工作心脏制备方法进行了改进，建立了一个可在恒压或恒流Langendorff条件下适用于多种物种（包括人类）心脏的系统。该系统用离心泵取代了原有的后负荷顺应性腔室，从而简化了Langendorff模式下灌注压以及工作模式下后负荷的调节过程。与采用封闭式带夹套储液器容纳心脏的传统设计不同，本系统使用开放式腔室，便于经心尖途径进行导纳导管插入，从而更方便地采集数据。此外，这种开放式设计还允许进行超声心动图评估，进一步扩展了实验过程中可测量的生理参数范围。这些改进有望推动更多研究者将该系统应用于大型动物的转化医学研究。

方案

1. 构建兰格多夫装置（参见图1）

  1. 使用3/8英寸管路将心脏储液罐连接至血液储液罐。
    1. 确保该管路穿过一个滚轴泵。注意：这可能需要使用两个3/8”转1/4”" 管路连接头，用于制作一段1/4" 通过蠕动泵的管道。
    2. 使用3/8英寸管路将血储器连接至加热器/氧合器。
    3. 使用3/8英寸管路将加热器/氧合器连接至Y型连接器。
    4. 将Y型接头的一端连接至离心泵，再将离心泵连接至第二个Y型接头（均使用3/8英寸管路）。
    5. 将一段3/8英寸导管连接至向上伸出的支臂，并固定止血阀，该装置将用作气泡捕集器以及插入压力传感器的通道。
    6. 将一段 3/8” 管路连接至向下的支臂。该部分将连接至主动脉插管（即 后负荷线）
    7. 将Y型连接器的另一支臂通过3/8英寸管路连接至预载荷腔室的进流口。确保该管路穿过第二个滚压泵。 
    8. 将多余的3/8英寸管路连接至该腔室的出口。此部分将连接至左心房（即 预载线
  2. 将氧气瓶和加热装置连接至加热器/供氧装置。
  3. 夹闭从Y型连接管通往预负荷室的管路，因为该管路在心脏进入工作模式前不会被使用。

2. 压力-容积导管准备

  1. 在 37 °C 水浴中预热一瓶生理盐水溶液。
  2. 将 PV 导纳导管和压力换能器浸入温热的生理盐水中，至少浸泡 30 分钟。
  3. 打开数据采集系统，使其预热至少 30 分钟。

3. 准备兰格多夫装置

  1. 打开氧气瓶、加热装置、连接两个储液罐的蠕动泵以及离心泵。 加热装置应设置为动物的体温（约36 °C）。
  2. 按照制造商的说明洗涤血液。建议使用较慢的洗涤速度，以更彻底地去除血液中的代谢废物。例如过量电解质、裂解的细胞物质
  3. 血液洗涤完成后，需在血液稀释前检测血细胞比容水平。
  4. 用生理盐水重悬洗涤后的红细胞，调节至所需血细胞比容浓度（推荐：20–25%），然后加入Langendorff装置中。
  5. 调节两台泵的速度，以启动血液在系统中的流动（不包括预载室）。
  6. 检测血液混合物的 pH 值和电解质，并调整至所用物种的生理水平。注意：为防止再灌注时钙离子有害性内流，兰格多夫装置中的钙离子浓度初始阶段应保持较低水平（0.3–0.5 mmol/L）。
    1. 若血细胞比容降低的同时伴有钾离子升高，应检测乳酸脱氢酶和血浆游离血红蛋白，以排除溶血。
    2. 如果发生溶血，需确保所有连接处紧密，且无明显剪切区域。
  7. 将Millar导管连接至PowerLab系统的次级压力插槽。
  8. 根据制造商的说明校准压力传感器。

4. 准备心脏以连接至兰格多夫装置

注意：在涉及离体心脏系统的大型动物实验中，应使用正确停跳的心脏。 若未进行心脏停跳处理，可能会造成心脏损伤，导致其无法产生可测量的功。 推荐使用Celsior溶液或低钾威斯康星大学（UW）溶液，因为这些溶液不仅与临床应用的溶液相似，而且其低钾成分有助于在体外循环过程中预防高钾血症。 停跳液的用量取决于心脏大小，猪心通常使用1 升即可满足需求。

  1. 迅速将心脏从储存容器中取出，倒出心室内的储存液，吸干并称重。
  2. 为在心脏准备进行Langendorff灌注前维持心肌低温，将心脏放回储存容器，并调整方向使主动脉朝上。
  3. 将一根 3/8”导管插入主动脉，并用扎带固定。

5. 将心脏连接至兰格多夫装置

  1. 将离心泵调至缓慢滴注状态。
  2. 将血液缓慢滴入主动脉，直至主动脉完全充满血液并排尽空气。
  3. 小心地将主动脉插管连接至兰格多夫装置（Langendorff）的主动脉导管上，并记录连接时间。
  4. 将校准后的压力传感器通过止血阀[DS1] 插入原生主动脉内。
  5. 开始压力测量，并调节离心泵速度，直至达到所需再灌注压力。注意：随着冠状动脉阻力的变化，压力可能发生变化。 因此，在再灌注初期应密切监测主动脉压力。
  6. 调节加热装置的温度，使心肌内温度达到 37 °C。注意：加热装置的调节与心肌内温度变化之间存在延迟。 因此，温度调节应逐步进行。
  7. 从静脉血储液器中获取基线（T = 0）血样，用于测定 pH、电解质及其他生化指标。
  8. 将温度探头插入室间隔，监测心肌温度。若心肌温度超过 39 °C，则降低加热装置的温度。
  9. 每 15 分钟采集一次血样，并根据实验需要调整生理参数。
    1. 每 5 分钟向血液溶液中添加约 1 mmol 钙，确保在启动工作模式前 离子钙浓度> 0.8 mmol/L。

6. 使心脏进入工作模式

  1. 将合适尺寸的导管插入左心房/肺静脉。可根据情况使用荷包缝线或扎带固定。
  2. 根据需要使用缝线或钉合器闭合左心房可能漏液的任何孔洞，例如其他肺静脉开口。
  3. 调节预加载室的高度，使液柱高度达到所需的预加载压力。注意： 假设血液/晶体液混合物的密度等于水的密度，则1 mmHg = 从主动脉瓣至预充储液器内液面顶部的距离（单位：cm）的1.36倍例如，15 mmHg = 20.4 cm。
  4. 松开通向预载室的管路，缓慢启动预载滚柱泵，使预载室和预载管路完全充满血液。
  5. 预充管路完全排尽空气后，缓慢用血液填充左心房和插管。
  6. 在不使任何空气进入系统的前提下，将预载管路连接至左心房插管。

7. 获取心室压力-容积（PV）记录

  1. 按照制造商的说明，对数据采集系统的压力和Rho比色皿进行校准。
  2. 使用3-0聚丙烯缝线在左心室（LV）心尖部缝合一圈荷包缝合线。
  3. 使用16 G 针头，在荷包缝合线范围内刺入并做切口。
  4. 将PV导纳导管插入心尖切口。注意：理想的导管位置应确保所有感应电极位于左心室内，且两个激励电极位于左心室外。请确保已选择合适尺寸的动物和导管（参见讨论部分）。
  5. 按下右上角的“开始”按钮以开始记录数据，并确定有多少容积段处于激活状态。
    1. 如果并非所有段均被激活，请调整导管位置，直至所有段均被激活。注意： 可能需要轻微旋转导管以优化环形形态。
    2. 若无法在所有段中获得信号，请根据制造商的说明调整激励电极和感应电极的位置。
  6. 获得理想配置后，按照制造商的说明进行容积和α校准。
  7. 使用经过适当校准的导管，至少获取30秒 的基础压力-容积数据。注意：这些压力-容积环将提供容积依赖性的心功能指标（例如，心输出量、每搏输出量）。
    1. 在获得足够数量的压力-容积环后，继续下一步操作，不要停止数据记录，以便获取阻塞状态下的压力-容积数据。
  8. 使用管夹缓慢阻塞前负荷管路。注意：压力-容积环应逐渐变小并向左下方移动。 此过程称为“下降走行”（walk down）。
    1. 记录10-15秒 的下降走行过程，然后松开管夹，使前负荷重新进入左心房。 注意：这些压力-容积环将提供容积独立性的心功能指标（例如，前负荷可募集的每搏功、收缩末期压力-容积关系）。
    2. 点击屏幕右上角的“停止”按钮，结束数据记录。
    3. 重复阻塞操作前，至少等待5分钟 。
  9. 重复步骤7.7和7.8，以获得重复测量数据。

结果

图1为该循环系统的示意图，包括建议的导管放置位置。该装置的重要组成部分包括：使用离心泵以控制后负荷；将压力导管（深蓝色线）置于主动脉根部以监测灌注压；以及经心尖放置压力-容积（PV）导管（浅蓝色线）。尽管图中连接显示为直连方式，但仍建议使用“Y”型连接器，尤其是用于前负荷管路时。

图2 显示了在回路中再灌注期间，放置于猪心主动脉根部的压力传感器所获得的数据，该压力在20分钟以上持续保持在40–42 mmHg之间。冠状动脉阻力的变化可引起灌注压力的波动（图3）。这些波动可能较为轻微且逐渐发生，随时间推移可自行恢复正常（图3a）。然而，在某些情况下，这些变化可能突然出现，需要调节离心泵的流量以维持目标再灌注压力（图3b）。由于可能出现此类变化，因此在再灌注期间必须持续监测主动脉根部压力。

通过采用心尖穿刺切口法，可轻松在离体心脏系统上获取压力-容积数据。本实验使用了一枚在低温（4 °C）保存液中保存了2小时的猪心脏。初次插入PV导管时，所获环路质量较差（图4a），存在多处重叠区域，且无法辨识出明确的心动周期各组成部分。然而，仅需在心室内对导管进行轻微调整，环路形态即显著改善（图4b），从而可顺利获取测量数据。

尽管已优化导管位置，所获取的环路仍存在 离体 电路（图5，顶行）的形态可能与 体内 环状结构（loops）图5，底行）。环路形态的这些变化可能是由于心脏在回路中的方向与仰卧位动物体内不同，以及缺乏活体动物中存在的解剖附着结构（如心包膜）所致。此外，使用起搏导线辅助调节心率（推荐附着部位：室间隔）会引入外部电流，从而导致右下角部分出现的尖峰信号 离体 环路。然而，只要这些环路仍包含心动周期的组成部分，仍可产生可解读的数据。 表1 列出了使用PV导管从这些压力-容积环中获得的多个功能参数。冷静态保存可能对心脏造成了一定的内在损伤，这有助于解释与体外循环相比所测得数值发生部分变化的原因 体内 测量结果。负载相关变量中的部分变异也可能源于电路与活体动物之间预载荷的可能差异。

心脏系统示意图；离心泵、氧合器、用于血流动力学研究的前负荷腔室。
图1. 实验装置示意图。

压力波动图；时间 vs. 压力（mmHg）；生理监测的数据分析。
图2. 再灌注期间主动脉根部压力测量的代表性结果。

压力波动图；A. 逐渐下降/上升，B. 突然下降/尖峰；压力与时间分析。
图3. 再灌注期间可能发生的主动脉根部压力变化示例。 这些变化可能是逐渐发生且可自行纠正的（A），也可能是突然发生，需要调整离心泵的设置（B）。

LV压力-容积环、图形分析、心血管研究、心脏功能研究
图4. 经心尖初次插入导管时获得的压力-容积环（A）以及轻微调整导管位置后获得的压力-容积环（B）。 可见环形形态明显改善，环的交叉部分消失，心脏周期的各个组成部分变得清晰可辨。两组环图右下角的尖峰是由于使用起搏器引入了外部电信号所致。

Pressure-volume loop graphs; baseline and occlusion; on circuit vs in-vivo cardiac performance analysis.
图5. 在压力-容积测量中获得的代表性数据 离体 电路（上排），带有 体内 用于比较的测量结果（底行）。 再次，两组图像的右下角均可见起搏器尖波 离体 环状结构。

Cardiac function parameters table comparing in vivo vs. on circuit conditions.
表1. 猪心脏获得的功能参数 体内 （左列）与冷保存2小时后的工作心脏装置（右列）。 CO：心输出量；Ea：动脉弹性；EDPVR：舒张末期压力-容积关系；EDV：舒张末期容积；ESPVR：收缩末期压力-容积关系；PRSW：前负荷可募集搏出功；PVA：压力-容积面积；SV：每搏容积；SW：搏出功

讨论

朗根多夫离体心脏灌注装置与工作心脏模型推动了心脏生理学、病理学及药理学领域中一些最基础的发现。该模型具有高度的灵活性，可在多种正常与病理条件下应用于不同物种1-18。然而，由于装置设计和数据采集的复杂性增加，离体心脏模型在大型哺乳动物、尤其是人类心脏上的应用并不常见。因此，本文所展示的实验方案旨在改进这些复杂性问题，从而建立一种相对可重复的研究离体猪心脏的方法。

我们装置中的一个关键组成部分是用离心泵替代动脉顺应性/后负荷腔室。这一替换使得在Langendorff模式和工作心脏模式下，分别对冠状动脉灌注压和后负荷实现更精确的控制，并使该系统能够轻松适配不同大小和物种的心脏。例如，在本设计中，猪心脏的再灌注压力为40–45 mmHg，而人心脏的再灌注压力为60–65 mmHg。这种压力变化只需调节离心泵的设置即可实现，无需对系统的任何组件进行物理调整。此外，在主动脉根部放置压力传感器以监测根部压力，可在Langendorff模式下方便地在恒定流量与恒定压力之间切换。尽管这一改动取消了传统的顺应性腔室，但离心泵可根据压力梯度实现双向流动，因而可能起到顺应性腔室的作用。在收缩期，每搏射血量引起的反向流经泵体时可降低后负荷压力，从而模拟主动脉的弹性特性。

该装置的开放式设计也十分重要。将心脏悬挂在开放区域中，而非半封闭的腔室或漏斗中，可更方便地进行压力-容积测量的仪器操作。开放式设计使得可以通过心尖穿刺途径将导管置入左心室，从而避免采用经瓣膜途径。经瓣膜途径技术难度更高，通常需要使用X线透视来确保导管正确放置，此外还可能引发瓣膜功能不全。通过采用心尖穿刺途径，我们能够安全、简便地将导管置入左心室，同时省去了X线透视所需的额外费用和操作不便。此外，开放式设计还便于进行超声心动图检查和流出液的收集，进一步扩展了在此系统上可评估的功能学和生物化学参数。

开放设计虽然有利于数据采集，但使得心肌温度调节更加困难。维持生理温度是离体心脏灌注（Langendorff）或工作心脏系统中已知的问题之一1,3,11,13。Langendorff 系统通常包含一个有助于维持适当温度的温控腔室，但该腔室也增加了心室压力-容积导管插入的难度。为解决开放设计下温度调控不佳的问题，在储液器后放置了氧合器/热交换器。热交换器与主动脉插管之间的空间极小，可减少热量散失，同时心肌温度探针可确保体温正常。此外，也可使用夹套式管路或外部加热装置来辅助温度控制。

本方案的另一个独特之处在于对研究用猪的自体血液进行洗涤，并用生理盐水重新配制。尽管使用全血灌注液或添加晶体缓冲液的红细胞并不罕见，但这些方法均存在一些问题。前者通常需要供体动物，显著增加实验成本；而后者可能引发免疫原性问题，因其红细胞通常来源于牛血1,11-13。通过洗涤猪自身原有的血液，本方案仅需单只动物即可完成，且消除了免疫原性风险。此外，洗涤过程去除了大部分电解质，使其更易于根据实验设计进行精确调控。最后，使用血液回收装置可去除血液中大部分蛋白质，这一处理既有利也有弊。其优势在于清除了凝血相关蛋白以及免疫或感染性蛋白，从而降低了血栓形成或污染的风险；其劣势在于该混合液的胶体渗透压较低，可能导致心肌水肿，并可能随时间推移造成心脏功能下降。然而，这一问题可通过添加白蛋白或其他胶体物质加以解决。

确保选择合适体型的动物和相应尺寸的导管，与使用正确的工作心脏装置同样重要。理想情况下，导管应放置到位，使所有传感电极均位于心室腔内，同时两个刺激电极（即 最靠近的电极）置于心室腔外。如果动物的心室腔过小，或电极之间的间距过大，则所有电极段将无法完全容纳于左心室（LV）腔内。尽管可调整刺激电极的位置，但较小的左心室腔也可能导致导管发生弯曲或变形，从而增加数据采集的难度。因此，针对大型动物心脏的功能分析，建议使用体重至少为60 kg的动物。在此类体型的动物中，7 mm的电极间距通常可实现导管的完全插入。

综上所述，本文描述了一种简化的离体工作心脏系统，该系统简化了灌注压力调节、数据采集和整体设计，仅在温度控制方面略有增加难度。这些对离体工作心脏系统的改进有望促进其在大型哺乳动物心脏（包括人类心脏）中的更广泛应用，进一步加深我们对心脏病理机制的理解，并推动发现更具临床相关性的治疗方案。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
PowerLab 16/35 配 LabChart ProADInstrumentsPL3516/P
MPVS Ultra 压力-容积单元ADInstruments880-0168
心室导管（5F，12E，7 mm，DField，直型，122 cm）MillarVENTRI-CATH-507s
压力导管（3.5F，单通道，直型，100 cm，Ny，不可修复）MillarSPR-524
PV 延长电缆（10 英尺）ADInstrumentsCEC-10PV
导管接口电缆（10 英尺）ADInstrumentsPEC-10D
Rho 校准比色皿ADInstruments910-1060
MPVS Ultra BNC 电缆组件ADInstruments880-0172
自动输血系统Sorin7320000
带低容量（135 ml）离心碗的碗组件Sorin7135100
氧合器/热交换器Terumo3CXSX18RX
血管周围血流探头Transonic SystemsPAU 系列血流探头尺寸取决于动物大小；对于 60 kg 的猪，推荐使用 20 或 24 mm 探头
血管周围血流仪模块Transonic SystemsTS420
心肌温度传感器Smiths MedicalMTS-40015
16 G 1" 普通针头BD Inc.305197
4-0 聚丙烯缝合线（双针）Ethicon8526H用于荷包缝合
2-0 聚丙烯缝合线（单针）Ethicon8833H
扎带ULINES-1021
扎带枪ULINEH-241
透明柔性 PVC 管路VWR International89068内径取决于所用插管、泵及其他设备；最常用的是 1/4" 和 3/8" 管路 
直型管路连接器VWR International46600
Y 型管路连接器Thermo Scientific6152
带夹套气泡捕集器Radnoti14040用于前负荷腔
离心泵Maquet70105离心泵和滚压泵均从临床使用后的灌注科回收获得。
滚压泵MaquetHL-20
止血阀Merit MedicalMAP150
血气分析仪Instrumentation Laboratory570001000

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