本文介绍了一种使用两个离心泵作为全人工心脏替代装置的实验方案。
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摘要
摘要
机械循环支持（MCS）已作为心脏移植的一种可行替代方案，主要通过使用植入式心室辅助装置（VAD）来支持左心室。然而，某些临床情况需要双心室机械支持。对于部分患者，一种策略是切除两个心室，并植入两个VAD泵，作为全人工心脏（TAH）。近年来，由于设备设计的改进以及离心式装置的小型化，这一方法已成为可能。目前，这种TAH方法仍处于实验阶段，面临诸多重要挑战，例如如何调节设备参数以平衡左右侧循环、设备及流出道血管的放置方向对溶血和稳定性的影响，以及采用此类布局进行长期支持的预后效果。本方案旨在提供一种在牛模型中使用两个植入式离心式VAD进行全人工心脏置换的可重复操作方法。
引言
心力衰竭患者数量持续增长，目前美国约有570万成年人患有此病1。其中约30万名患者处于终末期心力衰竭，预期寿命不足一年。尽管心脏移植仍是治疗终末期心力衰竭的金标准疗法，但其应用受到可用供体器官数量的严重限制。机械循环支持（MCS）已被引入作为心脏移植的一种可行替代方案，尤其是通过使用心室辅助装置（VADs）2。VADs通过减轻左心室负荷，并借助泵将血液直接向前泵入动脉循环来发挥作用。VADs可作为心脏移植前的过渡治疗，也可作为不符合移植条件患者的终末期治疗手段3。自不到十年前获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准以来，每年植入的VAD数量已超过心脏移植手术数量，且呈指数级增长趋势4。然而，在部分患者中，心力衰竭累及双侧心室（i.e. 同时影响左心室和右心室），仅支持左心室可能无法提供足够的灌注。在这种情况下，右心室需要临时的机械辅助支持5。这种类型的"RVAD"需要使用连接体外泵的大口径导管，使患者在心室恢复期间必须局限于重症监护病房（ICU）。对于少数特定患者，另一种选择是全人工心脏（TAH）6,7。TAH的适应证包括：心肌梗死后双心室衰竭、室间隔缺损（VSD）、严重限制性心肌病（妨碍心室插管）以及移植心脏失功需长期支持的情况。然而，目前FDA批准的TAH设备体积较大，无法用于体型较小的患者。此外，其气动驱动装置体积庞大，限制了患者的活动能力。
对于某些患者，一种实验性策略是使用第二个心室辅助装置（VAD）来支持右心室8,9,10。在此情况下，两个心室均被切除，并植入两个VAD作为全人工心脏（TAH）。这一方法得益于设备设计的改进以及设备体积的缩小。新型离心式VAD体积显著减小，使得两个VAD可并排植入，分别支持左、右循环系统。该方法目前仍处于实验阶段，面临诸多重要挑战，包括如何调节设备参数以平衡左右循环、设备及流出道移植物的放置方向及其对溶血和其他不良事件的影响。本方案的目的是在牛模型中提供一种可重复的、使用两个离心式VAD进行全人工心脏替代的手术方法。
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方案
饲养在动物设施中的年龄相匹配（必要时可用于献血）的牛犊（体重80–90 kg），其饲养和所有处理程序均按照杜克大学医学中心动物护理与使用委员会的指南进行。
1. 麻醉诱导
- 禁食 8–12 小时后，使用泰拉唑（Telazol）对犊牛进行术前给药（4.5 mg/kg，肌内注射），然后通过面罩给予异氟烷（1–4%）。
- 将母牛置于加热台上呈仰卧位，并进行气管插管。使用牢固的绑带将四肢固定在台面上。
- 在耳静脉处放置静脉导管（14–20 号）。
- 若出现频繁咀嚼和吞咽动作，或动物咬合气管插管（ET 管），可静脉注射地西泮（0.22–0.44 mg/kg）；此外，若插管困难，也可给予该药以帮助暴露气道，便于插管操作。
2. 生命体征与中心导管设置
- 以 10–15 mL/kg 的潮气量和 20–25 次/分钟的呼吸频率开始机械通气，术中持续维持异氟烷（0.5–4%）。
- 使用系带固定气管插管，确保手术过程中插管位置无变动。
- 在整个实验过程中持续监测血氧饱和度和心率。一旦出现通气困难或血氧饱和度（SaO2）下降，应立即处理。此类问题通常与插管位置或呼吸机设置有关。若为插管位置问题，应调整气管插管以获得足够的潮气量。
3. 中心血管通路
- 尽管以下操作可在超声引导下经皮进行，但建议采用切开暴露的方法，以便在动物抗凝后更好地控制局部出血。
- 以气管为解剖标志，使用剃毛刀剃除颈部毛发，并用聚维酮碘溶液消毒区域。使用10号手术刀片，在距气管1–2 cm、距胸骨柄20 cm处做一平行于气管的直线切口。
- 分离胸锁乳突肌，使用电凝设备仔细暴露左侧颈总动脉和颈内静脉。使用自持式牵开器辅助暴露。用粗丝线（0号或1号丝线）或血管环在近端和远端分别控制动脉和静脉。
- 用18号导管插管左侧颈总动脉以监测血压。排空导管内空气，若出现出血，以6-0或7-0聚丙烯缝线在导管周围作荷包缝合。
- 将压力传感器连接至控制台，并将压力波信号转换至软件中 "系统压力"读取并记录输出结果。
- 为进行液体和药物输注以及中心静脉压监测，通路选择左侧颈内静脉。将压力传感器连接至监护仪，并通过软件对压力波形进行转换。 "中心静脉压"读取并记录输出结果。
- 将两条管路远端固定于皮肤并进行监测。记录基线中心静脉压（CVP）和动脉血压。
4. 正中胸骨切开术与体外循环（CPB）
- 从胸骨柄开始沿胸骨向剑突方向触诊，选择中线位置并用无菌外科标记笔标记。使用毛发剪刀剃除局部毛发，并用碘伏消毒区域。覆盖无菌手术巾。
- 使用10号刀片从胸骨柄向下至剑突做一纵行切口。
- 使用电凝设备沿中线将胸大肌自胸骨表面分离，操作过程中需通过手动触诊胸骨侧缘以确保完全对准中线。用电凝设备在胸骨中线划痕。从下方开始胸骨切开术，使用粗剪刀剪断剑突。
- 使用园艺剪向上延伸胸骨切开术。每次剪切后检查胸骨断端情况。在胸骨下方进行手指触诊，并行钝性分离，使心脏和肺组织远离胸骨。在胸骨切开过程中，可能遇到横行的横肌（transversalis muscle），应使用电凝设备将其切断。
- 将胸骨切开术一直延伸至胸骨柄。操作时注意保持沿中线进行，这对术后愈合至关重要。
- 完成胸骨切开术后，使用电凝设备对出血的肌肉边缘进行点凝以实现止血。在胸骨骨髓腔处涂抹骨蜡，以控制残余出血。
- 辨认胸腺组织，并用电凝设备将其切除。纵向切开心包，从膈肌向上至主动脉方向分离并翻开心包。
- 使用五针2-0丝线缝合，将心包边缘与皮肤近似固定，形成心包吊床，以抬高并支撑心脏。选择打开后心包的各个角，用丝线直接将其牵拉至皮肤前方。
- 在主动脉与肺动脉之间通过分离结缔组织，创建一个长约3英寸的窗口，以便放置主动脉阻断钳。在升主动脉上、分叉近端处放置一根4-0聚丙烯缝线作为荷包缝合。
- 通过钝性分离完整游离上腔静脉（SVC），并放置第二根3-0聚丙烯荷包缝合线。给予肝素全身抗凝，初始剂量为300 U/kg，使活化凝血时间（ACT）超过400秒。
- 当达到目标ACT值后，使用11号刀片切开主动脉，插入18 Fr动脉插管。排尽插管内气体后连接体外循环（CPB）动脉管道。随后将28 Fr SVC插管置入上腔静脉，并启动体外循环。
- 在部分体外循环支持下，辨认下腔静脉（IVC），并参照SVC的方法进行插管。此步骤应在旁路循环运行时进行，因为按压心脏以暴露下腔静脉时，旁路循环有助于更好的血流动力学管理。
注意：由于此时体外循环仅为部分支持，仍有可能出现低血压。若发生低血压，应谨慎操作，分阶段完成插管，允许动物心脏间歇性充盈。 - 确认下腔静脉插管稳固插入后，使用Y型连接器将其接入主循环管路。用脐带带环绕上腔静脉和下腔静脉，以实现心脏血液的完全隔离。
5. 心室切除术
- 在完全心肺支持下，使用先前放置的脐带线结扎上腔静脉（SVC）和下腔静脉（IVC）。在主动脉插管位置近端施加主动脉阻断钳。确认钳夹位置后，开始心室切除术。
- 在距左右房室沟远端1-2 cm处环形切除心室组织。保留带有二尖瓣和三尖瓣环的心室肌边缘，以为摇摆环的植入提供额外支撑。
- 在操作过程中遇到二尖瓣和三尖瓣的瓣下结构时，将其横断。
- 切除包括肺动脉瓣在内的右心室流出道（RVOT）肌肉组织，同时切除左心室流出道（LVOT），但保留主动脉瓣的后部，作为主动脉-二尖瓣帘（aorto-mitral curtain）的一部分。
- 最后切开室间隔。辨认冠状窦开口，并用5-0聚丙烯缝线结扎。
6. 离心泵（CFP）的植入
- 使用带小垫片的间断2-0编织缝线将缝合环固定于心室组织及二尖瓣瓣环。缝线从心室肌边缘的心外膜表面穿出，再穿过缝合环。该技术可避免 "聚集" 会干扰环与泵对接的环上方组织
- 采用类似的方法将缝合环固定至右心室肌缘和三尖瓣环。
- 将CFP连接至缝合环，并使用标准锁定装置固定。调整其方向，以便能够接触到锁定装置。
- 根据所选方向调整流出道移植物的长度。确定合适长度后，剪切流出道移植物。注意勿使移植物过长，以免导致扭曲。
- 使用4-0聚丙烯缝线将流出道移植物以端对端方式吻合至主动脉（用于左心辅助装置）和肺动脉（用于右心辅助装置）。
- 在完成吻合前，松开上腔静脉和下腔静脉引流管上的胶带，使血液流入左、右泵内，从而开始排气过程。将18号针头插入各流出道移植物中以进一步排气。使用呼吸机提供大潮气量通气，使肺静脉内可能残留的气体得以回流并排出。
- 脱气完成后，拔出针头，并使用带小垫片的5-0聚丙烯缝线缝合穿刺部位。
- 以低转速（3,000 rpm）启动泵，使血液向前流动，初始时仍保留主动脉阻断钳。松开主动脉阻断钳，使部分血量进入泵内。
- 逐渐增加泵速，同时逐步减少心肺支持。终止体外循环，完全通过右侧和左侧泵来维持循环。
- 根据右侧和左侧的静脉充盈压确定最终的泵速设置。
- 使用5-0聚丙烯缝线作荷包缝合，将压力导管直接插入肺动脉和肺静脉，并固定到位。
- 将压力信号传导至软件中的对应标签下 "肺动脉" 和 "肺静脉"此外，在升主动脉和主肺动脉周围放置超声血流探头。
注意：现在所有 4 个通道都应处于激活状态：1. "系统压力", 2. "中心静脉压", 3. "肺动脉" 和 4. "肺静脉".
7. 双心室辅助装置血流的建立
- 在逐渐降低体外循环（CPB）流量的同时，缓慢增加左侧心房辅助泵（CFP）转速，随后增加右侧CFP转速，但始终维持右侧CFP转速低于左侧CFP。
- 密切监测血流动力学参数，包括全身血压和中心静脉压（CVP）。肺动脉或肺静脉内出现非生理性压力提示肺循环过度灌注。
- 最终将左侧和右侧CFP转速调高，使每台设备的流量达到4 L/min，并逐步脱离体外循环。待血流动力学稳定后，拔除上腔静脉（SVC）和下腔静脉（IVC）插管，并结扎荷包缝线。
- 随后拔除主动脉插管，并结扎荷包缝线。在动物处于麻醉状态下，缓慢降低并最终停止两台CFP泵的运转，实施安乐死。
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结果
演示于 图1 缝合环的固定 图1A 显示心室组织的“聚集”现象，可能导致泵附着困难。 图1B 表示正确的连接。
图2 和 图3 展示了两种不同方向的泵装置。图2 中，泵的位置使得流出移植物较短，并直接进入相连的动脉。图3 中，右心室辅助泵（CFP）和左心室辅助泵（CFP）的流出移植物在分别与肺动脉和主动脉吻合前发生旋转。目前尚不清楚哪种方向可减少血液所受的剪切应力，并为泵提供更优的整体血流动力学特性。此外，哪种方向能减少移植物扭曲也尚未明确...
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讨论
在本研究中，我们描述了使用两台离心式血流心室辅助装置（VAD）作为体内植入型全人工心脏（TAH）的方法。该技术可能对研究人工循环对肺、肝等继发性器官的影响非常有用。此外，它也可能有助于研究不同泵体方位和血流状态下的血流动力学变化。本方案中的关键步骤包括如何将缝合环固定于心室组织，同时整合瓣膜环以增强结构强度。确保此步骤正确实施至关重要，因为它将影响装置的稳定性。此外，必须准确测量并裁剪流出管道至适当长度。如果上述两个步骤未仔细执行，可能导致装置不稳定和流出道阻塞等重要问题。
该方案描述了两种不同的流出道血管移植物定位方法，这些方法可能对避免流出道血管移植物阻塞具有重要意义。第一种定位方式中，流出道血管移植物直接连接至相应的主动脉大血管，其方位与SynCardia全人工心脏类似。第二种定位方式中，移植物围绕另一心室辅助装置（VAD）进行旋转，这种方式在临床VAD病例中较为常见。
利用此实验模型，可以仔细研究不同泵速组合相关的血流动力学情况，以确定如何避免左右侧循环之间的失衡。例如，主动脉、肺动脉和肺静脉压力的直接测量可实现对动物...
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披露
本研究工作得益于雅培医疗向米兰诺博士提供的研究资助。
致谢
我们感谢劳拉·贾尼（Laura Janney）和雅培医疗（Abbot Medical）提供的部分资金支持。我们还要感谢杜克大学体外循环服务部和大型动物外科核心实验室在手术过程中给予的协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| SPO2 和心率需进行监测：多功能 | Meditech Equipment, Co., Ltd. | MD-908 | 术中血流动力学监测仪 |
| Viscot Mini XL 外科标记笔 | Amazon | B007P550WG | 切口前标记胸骨 |
| 60W 高功率电动宠物猫兔马用动物毛发修剪剪刀 | LILY International Business CO., LIMITED | ZP-293 | 体毛剃除 |
| 10 号手术刀片 | Swann-Mortan, England | 301 | 皮肤切口 |
| 梅岑鲍姆剪刀（Matzenbaum 剪刀） | BD-V. Mueller, USA | CH2006-001 | 血管探查 |
| 剪刀 | Felco, USA | FELCO 200A-50, Felco Professional Bypass Lopper | 用于胸骨切开术 |
| 自持式牵开器 | BD-V. Mueller, USA | AU19270 | SCHUKNECHT 自持式耳后牵开器 |
| 胸骨牵开器 | BD-V. Mueller, USA | CH6950-007 | Cooley 胸骨牵开器 |
| 压力传感器（Millar Mikro-Tip，5Fr） | Millar, USA | MillarMikro-Tip, SPR-350S | 肺动脉或静脉压评估 |
| AD 仪器（PowerLab） | AD instruments, USA | PowerLab 16/35 | 压力信号转导 |
| 脐带带 | Medline industries Inc., USA | U11 | 用于上腔静脉或下腔静脉的隔离与套扎 |
| 血管环 | Aspen Surgical, USA | 3901, 3902 和 3904 | 血管隔离 |
| 丝线缝合线，2-0 | Ethicon US, LLC, USA | SA11G | 用于上腔静脉或下腔静脉的套扎 |
| Ticron 2-0 | Covidien, USA | TicronTM suture | 血管缝合线 |
| Prolene, 7-0 | Covidien, USA | Surgipro II | 血管缝合线 |
| Prolene, 6-0 | Covidien, USA | Surgipro II | 血管缝合线 |
| Prolene, 4-0 | Covidien, USA | Surgipro II | 血管缝合线 |
| Prolene, 3-0 | Covidien, USA | Surgipro II | 血管缝合线 |
| 主动脉插管，15–18 Fr | Medtronic, USA | Elongated-One-Piece-Arterial cannula 3D | 建立体外循环用主动脉插管 |
| 静脉插管，28Fr | Edwards Lifesciences | 单级 | 建立体外循环用静脉插管 |
参考文献
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