离体肺灌注(EVLP)通过实现对器官的评估并扩大供体来源,使人类肺移植变得更加可行。本文中,我们描述了大鼠EVLP模型的建立过程以及相关优化,这些改进为未来的进一步拓展提供了可重复的实验模型。
方法文章
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离体肺灌注(EVLP)通过实现对器官的评估并扩大供体来源,使人类肺移植变得更加可行。本文中,我们描述了大鼠EVLP模型的建立过程以及相关优化,这些改进为未来的进一步拓展提供了可重复的实验模型。
可用于肺移植的合格供体肺因质量不佳而严重短缺。 离体 肺灌注(EVLP)技术通过实现对供体器官的评估并扩大供体来源,使人类肺移植变得更加可行。随着该技术的不断发展与完善,在移植前对质量欠佳的肺脏进行潜在评估和质量改善的能力成为迫切需求。为了更严格地评估这些方法,有必要建立一种可重复的动物模型,以用于测试改进的技术和优化供体肺的管理策略,同时研究对肺移植受者的影响。此外,还需建立与相关病理状态相关的EVLP动物模型, 例如, 呼吸机相关性肺损伤(VILI)将为这些疾病的治疗评估提供一种新颖的方法。本文描述了大鼠离体肺灌注(EVLP)肺程序的建立过程,以及对该方法的优化,从而实现可重复的模型,为未来研究的拓展奠定基础。我们还介绍了该EVLP系统在大鼠肺脏中模拟VILI的应用。本研究旨在向科研界提供关键信息以及在反复试验中积累的重要技术要点和经验,这些对于建立稳定且可重复的EVLP系统至关重要。
临床相关性
目前可用于移植的合适肺源严重匮乏,全国范围内仅有19%的肺脏能够被利用,导致患者等待时间延长,部分患者在等待移植期间死亡1短缺可能源于供体年龄较大、创伤、感染、多系统器官衰竭,以及有时在获取时供体肺脏已受到损伤2此外,肺脏在胸腔外是一种脆弱的器官,标准的运输和保存技术可能导致其功能退化甚至无法使用。因此,维持并改善肺脏的可移植性 离体 最近已成为肺移植医学的主要关注点。
离体 肺灌注 (EVLP)
离体肺灌注(ex-vivo lung perfusion, EVLP)技术已发展为可对拟用于移植的器官进行持续灌注,并提供一段评估时间,从而具备对肺脏进行复苏或再 conditioning 的潜力。EVLP 可延长器官离体后的总缺血时间,并使供体肺脏能够运输至更远的距离3。通常,肺脏以总肺容量的 50% 或气道峰压 20 cmH2O 进行通气,吸入氧浓度(FiO2)维持在 30% 至 50%4。在人类和大型动物中,灌注液以 40–60 ml/kg(约相当于预测心输出量 100 ml/kg 的 40%)的速率进行灌注5,6,而在大鼠中则以约相当于心输出量 20% 的速率灌注7。STEEN 溶液的应用使得人类肺脏可在常温(RT) 环境下运输而不会发生肺水肿9。多伦多大学肺移植项目已对此项开创性工作进行了优化10–13,目前正评估其在改善边缘供体肺移植评估中的应用价值14,15。然而,为实现边缘性或低于标准肺脏的再生,所需的最优通气与灌注条件尚不明确,这也是当前研究的活跃领域。
离体肺灌注系统已用于小型动物,以诱导肺损伤、重建呼吸系统疾病,或用不同溶液灌注肺脏以防止缺血性损害。研究人员已利用离体肺灌注系统建立小型动物肺移植模型,模拟可在人类和大型动物中应用的体外肺灌注(EVLP)方案16-18。然而,该实验模型在模拟人体生理状态所采用的各种技术和参数方面仍面临诸多挑战。特别是,在EVLP过程中维持肺脏活性存在诸多细微要点,这些要点可能源于肺脏获取技术、正压通气参数设置、灌注液成分与流动条件以及肺血管插管方法的差异。因此,本研究旨在为科研界提供一系列我们在实践中总结的故障排查与实施建议,以建立一种在啮齿类动物模型中稳定实施EVLP的可靠方法。
注意:所有操作均按照机构动物护理指南和美国国家研究委员会《实验动物人道护理与使用指南》(IACUC)的规定进行,并已获得俄亥俄州立大学 IACUC 委员会的批准。
1. 初始设置
2. 麻醉剂和肝素的配制及大鼠麻醉
3. 大鼠肺脏的提取与初始通气
4. 离体 肺灌注
通过数据采集程序获取的实时力学数据可轻松用于检验多种假设。例如,图10A展示了来自10次大鼠实验的平均肺脏重量在60分钟内的变化,这些实验中动物采用低潮气量/低呼气末正压(PEEP)通气,分别为4 ml/kg和2 cmH2O。尽管在整个实验过程中肺脏重量略有增加,但该变化在统计学上并不显著(ANOVA,p = 0.92)。图10B展示了来自12次大鼠实验的平均肺动脉压(PAP)在60分钟内的变化。0分钟时间点较低的PAP是由于所有实验开始时采用较低的灌注流速和通气参数所致,此后PAP保持稳定,在t=10 min后无统计学显著变化(秩次ANOVA,p = 0.89)。图10C展示了来自12次大鼠实验的肺血管阻力(PVR)在60分钟内的变化;尽管在t=20 min后PVR略有下降,但在本实验过程中PVR无统计学显著差异(秩次ANOVA,p = 0.65)。与本研究中所示PVR数据相比,Noda et al. 报道PVR在4小时内随时间略有上升。然而,这些作者报告的PVR数据起始于实验开始后1小时,而非实验起始点,且未提供标准差值7。此外,Noda et al. 未展示4小时实验中的肺水肿数据,因此无法与本研究中图10A所示数据进行比较。Noda et al. 的实验方法与本文所述方法的主要差异包括:在EVLP前将肺脏在含脂多糖(LPS)溶液中低温保存1小时;大鼠最初使用含异氟烷的气体混合物进行通气以实现麻醉;灌注液中添加了50 mg甲基泼尼松龙和50 mg头孢菌素;总灌注流量定义为计算心输出量的20%;灌注液样本仅在肺脏以100% O2通气5分钟后采集;实验持续4小时。
实验过程中从灌注液中采集的样本也可用于多种分析目的。例如,在 图11 我们演示了高潮气量/高呼气末正压通气如何在60分钟内诱发促炎反应。在这些实验中,灌注液来自4只在损伤性通气条件下进行机械通气的大鼠。 即, 10 ml/kg 的高潮气量和 8 cmH₂O 的高呼气末正压2O 组通过标准 ELISA 技术检测了促炎和抗炎细胞因子 IL1β、TNFα 和 IL4。如图所示 图11与通气前(0分钟)的细胞因子水平相比,60分钟的损伤性通气导致促炎性细胞因子IL-1β和TNFα水平出现具有统计学意义的升高,而抗炎性细胞因子IL-4的浓度无明显变化。因此,该EVLP系统能够产生在机械通气过程中常见的肺损伤特征。

图1. 小动物的示意图与照片 离体 肺灌注(EVLP)回路。 图中的字母与照片中的字母相对应。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 2. 所有传感器均已牢固连接至控制箱。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 大鼠手术台已牢固地安置在临近位置 离体 肺灌注(EVLP)回路 请点击此处以查看此图的放大版本。

图 4. (A)在颅侧做一切口以暴露气管,但不暴露胸腔。(B)将丝线缝合线置于气管后方。(C)部分切断气管以准备插管。(D)将气管插管置入适当位置,并用丝线缝合线固定。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5. (A)牵开胸腔以暴露心脏和肺。(B)准备在肺动脉后方放置缝线。(C)对肺动脉进行插管,并用预先放置的丝线结扎。(D)通过肺动脉灌注低 K+ 电解质溶液,并从左心房流出,以清除任何血凝块。请点击此处查看该图的放大版本。

图6. 灌注肺脏时增加肺动脉血流可能导致肺动脉压力急剧升高。 如果插管操作正确且无明显阻塞,压力应下降。 请点击此处查看此图的放大版本。

图7. 将丝线缝合于整个心脏周围,为左心房插管做准备。 请点击此处查看此图的放大版本。

图8. 左心房插管用丝线缝合固定。 请点击此处查看该图的放大版本。

图9. (A肺动脉插管连接至 离体 肺灌注回路。 (B) 钳夹食管,并钝性分离结缔组织以取出心肺组织块。C心脏-肺组织块从胸腔中取出并放入 离体 肺灌注回路。D左心房与 离体 肺灌注回路 请点击此处查看此图的放大版本。

图10. (A)雄性Sprague Dawley大鼠在60分钟ex vivo肺灌注期间的肺重量(n=10)。(B)雄性Sprague Dawley大鼠在60分钟ex vivo肺灌注期间的肺动脉压(n=12)。(C)雄性Sprague Dawley大鼠在60分钟ex vivo肺灌注期间的肺血管阻力(n=12),N.S. 表示无统计学显著差异。请点击此处查看此图的放大版本。

图11. 高潮气量(10 ml/kg)和高PEEP(8 cmH2O)通气1小时对灌注液中促炎性和抗炎性细胞因子浓度的影响。 n=4,*表示与0小时样本相比具有统计学显著差异(p < 0.05)。请点击此处查看该图的放大版本。

图12. (A) 连接到体外肺灌注(EVLP)回路的肺,通气和灌注正常。(B) 高水平的呼气末正压(PEEP)导致气管分叉处撕裂,使气泡在损伤处形成并充满人工胸腔。请点击此处查看该图的放大版本。

图13. (A)肺动脉插管。该插管比左心房插管更小。(B)左心房插管。该插管明显大于肺动脉插管。(C)气管插管。该插管带有肋状结构,有助于用丝线缝合固定气管。插入气管的一端略呈尖形,以方便将插管插入气管。请点击此处查看该图的放大版本。

图14. (A)用镊子夹住心脏心尖,准备切开右心室,以便插管进入肺动脉。(B)使用一对小型钝头镊子扩张二尖瓣环,有助于更清晰地观察通向左心房的路径。请点击此处查看该图的放大版本。
系统监测
实验顺利进行时的现象:
当导管已接入回路且肺脏开始通气后,可通过多种方式确认系统运行正常。灌注液在管路中应无任何泄漏。肺血管阻力(PVR)应保持相对稳定(假设流量恒定)。当呼吸机正常工作并扩张肺脏以募集更多肺泡进行气体交换后,氧交换能力应有所提升。图12A展示了在人工胸腔内连接至EVLP回路、通气和灌注均正常的肺脏。
实验进行不顺利时的表现:
在EVLP实验的初期阶段,有一些常见问题的发生率较高。第一个也是最容易解决的问题是肺部流出管道出现泄漏。这种泄漏可通过观察到部分管路下方有灌注液积聚,以及储液器中的液位持续下降而被发现。应检查并拧紧泄漏区域附近的任何管路连接处,并检查管路本身是否存在泄漏。如果泄漏发生在进入肺部之前,还可能将气泡引入肺内。这种情况应尽快处理,因为灌注液中的气泡会导致组织损伤,并显著增加肺血管阻力(PVR)。此外,泄漏也可能来自肺组织本身或其中一根插管。这可能是由于插管滑脱,或流出管路发生阻塞导致压力积聚所致。应检查两根插管的位置,确保其均未发生滑脱或扭曲。在此过程中还应监测肺动脉(PA)压力,因为PA压力的瞬时升高是管路发生某种阻塞的明显征象。图12B展示了一个因压力过高而破裂的肺。肺组织本身的泄漏也可能是由于组织撕裂所致。此问题可能可以修复,也可能无法修复,但在这种情况下,最佳处理方式是重新调整并再次固定插管。
关键学习要点/机会:
通过反复试验对离体肺灌注系统(ex-vivo lung perfusion, EVLP)的优化,我们已确定若干关键问题,现概述如下,以促进 EVLP 系统的高效实施。首先,在器官获取方面,必须遵循标准麻醉技术,确保动物得到充分麻醉(使用足量麻醉剂,并注入腹腔),同时须严格遵守 IACUC 的所有规定。导管(如图 13 A、B 和 C 所示)应反复冲洗,以清除肺血管系统内的任何血块或碎片。在动物选择方面,我们建议使用体重为 250–350 g 的 Sprague Dawley 或 Lewis 大鼠。对于体重接近 250 g 的大鼠,插管时需格外小心,因其血管较细,插管操作更困难,容易损伤血管系统。若使用更小的大鼠或小鼠模型,则可能需要选用更小的导管。
气管插管通常并不困难,关键在于插管前先分离周围筋膜,将丝线从气管后方穿过并妥善固定。随后,在结扎线以上1-2个气管环处做一前侧切口,以便插入导管。为确保导管稳固,应将方结打在气管环之间的沟槽内,以增强固定效果图4C)。与气管插管相比,肺动脉(PA)插管更具挑战性。本研究采用以下步骤进行该操作:首先,用一对镊子夹住心尖;将另一对镊子经由横窦插入,并穿过缝线以固定插管于近端肺动脉。在右心室流出道(RVOT)前方立即切开右心室图14A)。在切开右心室流出道后,将导管引导至肺动脉流出道。在右心室切开前,先将缝线置于肺动脉/主动脉后方,可提高操作效率(图5C)。应使用缝线将导管固定在位,以防移位。若肺动脉(PA)导管未处于正确的解剖方位,可能会发生严重并发症。导管插入过深可能导致仅灌注单一分支,或在取出心肺标本时因扭转而造成导管位置不当。此时可轻易将其重新调整至原始位置,以维持正确的解剖角度。最后,左心房(LA)插管是该操作中最困难的部分。左心房导管必须准确置入左心房内。由于组织极为脆弱,操作时需格外注意,避免施加过大外力或扭转动作,以防肺静脉撕裂 &左心房,否则将导致实验无法挽救。肺动脉插管应优先于左心房插管放置。研究表明,通过左心室切口切除心尖,可破坏腱索,从而更易经二尖瓣叶进入。此外,心室切口还有助于扩张和观察二尖瓣,并便于将插管经二尖瓣送入。使用一对小型钝头镊子扩张二尖瓣环,有助于观察通往左心房的路径(图14B缝合线应在插管前置于心脏后方。操作时可使用一对小型钝头镊子轻轻抬起心脏,将缝合线置于心脏下方并横穿通过。此时左心房已准备就绪,可进行插管。将左心房插管经由镊子之间送入,以便清晰观察插管进入左心房的位置。需特别注意避免插管滑入左心室。随后应将缝合线紧密固定于左心室心肌上。若将缝合线固定在左心房,可能造成插管全部或部分阻塞。
在操作过程中,必须确保装置的流入部分无任何空气残留。若存在较大量的空气,可能引发空气栓塞,增加肺血管阻力(PVR)(相当于形成“气锁”),从而导致在给定压力下灌注液的流量显著降低。可通过系统中的多个位点排除空气。流出部分存在空气属于正常现象,不会对肺组织产生有害影响。已有研究表明,通过持续向猪模型中注入少量空气,可在8周内成功复制肺动脉高压的病理状态。增加的空气量会减少灌注量,同时引起周围组织的炎症反应19。
在完成插管后但来自左心房(LA)的导管尚未连接到体外肺灌注(EVLP)管路之前,即可开始灌注。应让灌注液流经管路以清除任何血凝块,此过程中的灌注液可无碍地排入胸壁内。将灌注泵切换至手动模式,并缓慢增加流速至约 2 ml/min,以便密切监测肺动脉(PA)压力。当压力超过 20–30 cmH2O 时,可能提示存在阻塞;同时观察是否有灌注液从左心房流出也可作为判断依据,但该现象通常难以察觉。若压力确实升至 20–30 cmH2O 以上,应立即停止灌注泵并重新检查两处插管情况。待压力稳定在 10–20 cmH2O 左右后,让灌注液持续流经并进入胸腔约 2 分钟。此时可将来自左心房的导管连接至 EVLP 循环系统。随后可将灌注泵速度提高至 5–10 ml/min。随着液柱在管路中推进,由于液柱高度增加,静压随之上升,肺动脉压力也会相应升高。如果液体无法越过管路中的最高点,可能需要在管路另一端施加负压吸引,或尝试降低管路最高部分的位置。一旦克服该问题,灌注液应能顺利循环,无任何障碍。
使用呼吸机时需注意几个问题。首先,随着肺部水肿加重、重量增加,可能发生支气管/气管扭曲以及心肺位置改变。保持插管处于相对正常的解剖位置非常重要,因此可能需要调整一根或两根插管的位置。该体外肺灌注(EVLP)系统可兼容压力控制或容量控制呼吸机,以及正压或负压通气模式。在大鼠模型中,我们发现采用正压、容量控制通气模式,潮气量设置在4–10 ml/kg、呼气末正压(PEEP)设置在2–8 cmH2O时效果良好。然而,当PEEP达到8 cmH2O时,可能导致气管分叉处发生破裂。每次实验(或连续进行的多组实验)结束后,应清除通向气管的通气管路中可能沿气管上行的支气管肺泡灌洗(BAL)液体。若不及时清理,该液体会逐渐硬化,完全堵塞通气管路。
灌注液的成分对于成功的离体肺灌注(EVLP)实验至关重要。5%的右旋糖酐混合液可实现接近生理状态的肺灌注,维持稳定的胶体渗透压以促使液体回流入血管系统,从而防止水肿,并预防肺血管内血栓形成。需要注意的是,某些品系的大鼠可能对右旋糖酐过敏,从而引发肺水肿20。本研究中所有实验组的灌注液成分保持一致,因此右旋糖酐含量不应成为混杂因素。胶体渗透压是一个关键变量,可能改善或导致组织水肿。已有研究在该系统中使用 commercially available 灌注液,这些溶液针对冷静态保存或常温灌注进行了优化,可延长肺脏的存活时间。我们注意到,其中一些溶液含有白蛋白,而一个潜在担忧是牛源白蛋白可能在啮齿类动物肺组织中引发炎症反应。尽管最佳灌注液成分仍在持续研究中,但灌注液的设计必须综合考虑胶体渗透压、渗透压以及缓冲能力。我们建议采用改良的Krebs–Henseleit溶液或细胞培养基作为基础溶液。胶体渗透压应根据具体应用选择由右旋糖酐或白蛋白来维持。灌注压力和流速会影响器官状态,超生理范围的灌注参数可能使器官易于发生机械性损伤。
实验过程中的视觉指示:
有许多视觉提示以及实时数据指标可用于判断离体肺灌注(EVLP)实验是否顺利进行。肺脏体积应保持不变,每次呼吸后均能回缩至相同的容积。肺组织本身不应出现任何泄漏。肺血管阻力(PVR)、肺脏重量和顺应性应保持相对稳定。氧合能力应保持稳定或略有升高。
实验过程中肺组织受损时会出现多种视觉指征。肺组织会变得水肿,并在大小和重量上迅速增加。肺的颜色会发生改变(由浅粉褐色变为白色),并且可在组织中观察到液体积聚的区域。如果气管或肺因气压伤或过度扩张而破裂,损伤部位将出现气泡(图12B)。此外,氧气产量会下降,肺血管阻力(PVR)和顺应性也会显著升高。
在啮齿类等小型动物上使用离体肺灌注(EVLP)模型的潜力,为未来改善肺移植治疗的研究打开了大门。然而,该小型动物模型需要更深入的理解,以真正模拟肺移植过程。该模型未来可用于改进医学治疗,并为后续肺移植研究确定基线参数。
作者谨此感谢哈佛仪器公司(Harvard Apparatus)的协助,特别是Stephanie Pazniokas,MS生理系统 & 再生医学 感谢他们在灌注回路的组装、修改和故障排查方面提供的帮助,以及XVIVO Perfusion(Daniel Martinelli,CCP,CTP)提供用于非临床用途的肺停搏液。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 基本肺灌注系统 IPL-2 | Harvard Apparatus | ||
| 5号不锈钢镊子,弯曲,11 cm | Kent Scientific Corporation | IND500232 | |
| 5号 Dumostar 镊子,11 cm | Kent Scientific Corporation | INS500085-A | |
| 7号钛合金镊子,12 cm,尖端弯曲 | Kent Scientific Corporation | INS600187 | |
| McPherson-Vannas 剪刀,8 cm,直刃,5 mm | Kent Scientific Corporation | INS14124 | |
| Vannas 剪刀,8 cm,直刃,5 mm | Kent Scientific Corporation | INS14003 | |
| 器械消毒托盘,5" × 7" | Kent Scientific Corporation | INS800101 | |
| 肝素,每30 ml含30,000单位 | APP Pharmaceuticals | 由俄亥俄州立大学药房提供 | |
| 氯胺酮,每5 ml含500 mg | JHP Pharmaceuticals | 由俄亥俄州立大学药房提供 | |
| 赛拉嗪,每1 ml含100 mg | Akorn | 由俄亥俄州立大学药房提供 | |
| 10 cc胰岛素注射器,29 G × 1/2"针头 | B-D | 309301 | |
| Hyflex NBR | Ansell | S-17310M | 防咬手套 |
| BL1500 | Sartorius | Practum 1102-1S | 天平 |
| 大号平底固定器 | Braintree Scientific Inc | FB L 3.375 直径 × 8.5,适用于250–500克大鼠 | 大鼠注射用隧道 |
| 斯特林无粉丁腈检查手套,大号 | Kimberly-Clark | 50708 | |
| Rapidpoint 405 | Siemens | 血气分析仪 | |
| 纤维氧合器 D150 | Hugo Sachs Elektronik | PY2 73-3762 | |
| LabChart v7.3.7 | ADInstruments | ||
| 气管插管 | Harvard Apparatus | 733557 | |
| 肺动脉插管 | Harvard Apparatus | 730710 | |
| 左心房插管 | Harvard Apparatus | 730712 | |
| 蠕动泵 | Ismatec | ISM 827B | |
| 小型动物呼吸机,型号683 | Harvard Apparatus | 55-000 | |
| Ecoline Star Edition 003, E100 | Lauda | LCK 1879 | 水浴加热器 |
| 管路盒 | Cole-Parmer | IS 0649 | |
| D150连接套件 | Cole-Parmer | VK 73-3763 | |
| PowerLab 8/35 | ADInstruments | 730045 | |
| TAM-A换能器放大模块,型号705/1 | Hugo Sachs - Harvard Apparatus | 73-0065 | |
| TAM-D换能器放大器,型号705/2 | Hugo Sachs - Harvard Apparatus | 73-1793 | |
| SCP灌注伺服控制器,型号704 | Hugo Sachs - Harvard Apparatus | 732806 | |
| CFBA载频桥式放大器,型号672 | Hugo Sachs - Harvard Apparatus | 731747 | |
| VCM呼吸机控制模块,型号681 | Hugo Sachs - Harvard Apparatus | 731741 | |
| TCM时间控制模块,型号686 | Hugo Sachs - Harvard Apparatus | 731750 | |
| IL2灌注液管路组件 | Harvard Apparatus | 733842 | |
| 湿化室管路组件 | Harvard Apparatus | 73V83157 | |
| Tygon E-3603管路,内径2.4 mm | Harvard Apparatus | 721017 | 进入肺部的灌注液管路 |
| Tygon E-3603管路,内径3.2 mm | Harvard Apparatus | 721019 | 离开肺部的灌注液管路 |
| 低钾右旋糖酐葡萄糖溶液 | 用于肺冲洗 |
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