该方案描述了一种猪的ex vivo心脏灌注系统,其中对左心室进行直接负荷可作为移植物健康状况的评估手段,同时还能对移植物功能进行全面评价。本文还讨论了系统设计及可能的评估指标。
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该方案描述了一种猪的ex vivo心脏灌注系统,其中对左心室进行直接负荷可作为移植物健康状况的评估手段,同时还能对移植物功能进行全面评价。本文还讨论了系统设计及可能的评估指标。
离体机械灌注或常温机械灌注是一种在移植领域中日益重要的器官保存方法。尽管心脏在跳动状态下为评估提供了巨大机会,目前的临床实践仍主要依赖有限的代谢趋势来评价移植物功能。来自左心室负荷的血流动力学测量因其作为客观评估参数的潜力而受到广泛关注。实际上,本方案通过简单增加一个额外储液罐,提供了一种简便有效的方法,可将负荷功能整合到现有的朗根多夫(Langendorff)灌注系统中。此外,本方案还展示了采用被动性左心房加压进行负荷的可行性,据我们所知,此前尚未有研究报道过这一方法。该方法结合了被动式Windkessel模型后负荷系统,作为顺应性腔室,在舒张期最大限度地提高心肌灌注。最后,本方案强调了在心脏负荷过程中获取功能性指标的能力,包括左心室脉压、收缩力和舒张功能,以揭示长时间保存(˃6 小时)后心脏移植物功能的潜在缺陷。
原位心脏移植是目前终末期心力衰竭治疗的金标准1。然而,由于供体严重短缺,该领域的发展受到显著限制,每年仅能实施约2000例心脏移植手术,而实际上有超过20000人可从这一挽救生命的手术中获益2。预计器官短缺状况将进一步恶化,仅在美国,心力衰竭的患病人数到2030年预计将超过800万3。随着医学管理的改善、机械循环支持技术的进步以及UNOS分配政策的调整,等待移植患者的生存时间持续延长,导致任一时间点需要进行移植的患者数量进一步增加4,5。
离体机械灌注或常温机械灌注(NMP)是一种器官保存方式,通过允许使用循环死亡后捐献(DCD)的器官并延长保存时间,在一定程度上扩大了供体器官的来源5,6,7,8。与当前器官保存的金标准——静态冷保存不同,NMP 将器官维持在代谢活跃状态,从而实现了对器官的实时监测和移植物功能评估,并已成为 DCD 移植物的标准保存方法8,9。然而,目前临床使用的 NMP 设备仅限于 Langendorff 灌注模式,该模式缺乏可量化指标来预测移植结果,且无法全面获取器官的功能参数6。例如,在 Langendorff 灌注过程中乳酸的累积被认为是预测移植后预后最佳的代谢指标,目前在临床中被用作评估心脏移植物健康状况的替代指标10。然而,即使作为最佳评估生物标志物,它仍无法可靠地预测移植后是否需要机械循环支持11,12。同样,目前临床常用的心脏机械灌注配置为逆行性灌注,这在很大程度上限制了常用血流动力学参数(如主动脉压力和冠状动脉血流量)的预测能力9。
在离体灌注(NMP)期间建立用于准确、精确评估心脏移植物健康状况的评估方案,不仅有助于改善移植后的预后,还将对该领域产生深远影响。客观的预测工具将能够可靠地评估并可能利用目前因严格筛选标准而被拒绝用于移植的边缘性或扩展标准供体器官(即热缺血时间延长(> 30 min)和冷缺血时间(> 6 h)、供体年龄较大(> 55岁)、合并其他共病等),这些供体来自心脏死亡后捐献者(DCD)和脑死亡捐献者(DBD)13。通过启用边缘性心脏的使用,离体灌注有望增加器官供应量,据估计,若能成功移植目前废弃的一半心脏,即可在2至3年内消除心脏移植等待名单14。在离体灌注期间通过左心室负荷获得的血流动力学测量参数因其作为客观评估指标的潜力而受到广泛关注。既往研究表明,这些参数(如左心室脉压、收缩力和舒张功能)比代谢变化趋势更能反映心脏移植物的功能状态15,16,17。
实际上,研究人员已致力于开发和确定最佳的灌注加载方法,以最大程度提高评估的准确性。通过这些努力,其他研究团队已确定了加载过程中最相关的主动脉灌注模式:当采用被动后负荷(即加载期间不对主动脉进行逆向灌注)时,血流动力学参数与移植后心脏功能之间的相关性更强,优于使用泵辅助后负荷(即加载期间对主动脉进行逆向灌注)的情况18。这表明,辅助性冠状动脉灌注可能会掩盖心脏的功能缺陷。先前的研究已成功将被动后负荷整合到灌注系统中,通过构建模拟Windkessel效应的装置实现18,19,20。Windkessel效应有助于缓冲血压波动,维持组织的持续血流,并改善冠状动脉灌注。本方案通过使用一个被两个弹簧加载板包裹的改良静脉输液袋(IV袋),实现基于Windkessel效应的被动后负荷,其中冠状动脉灌注完全依赖于心脏的射血(专利申请中)。
在灌注加载过程中,尽管被动左心房(LA)加压(即依赖重力的加压)在小型动物心脏灌注中是常见做法,但在大型心脏的加载中却很少被采用21,22,23。相反,文献中报道的绝大多数方法依赖于次级泵来实现左心房加压18,24,25,26,27,28。通过重力依赖性储液器而非泵对左心房进行加压,可显著简化加载方案的实施。重力提供了一个固定且恒定的压力源,从而大大减少了为实现并维持适当左心房加压所需的复杂控制系统。此外,通过这种加压方式,无需使用次级泵,便于将加载功能整合到现有的Langendorff装置中,仅需增加一个额外的储液器即可。将加载功能整合到临床使用的机械灌注系统中,将通过在保存期间对心脏移植物进行详细评估,进一步扩大心脏常温机械灌注(NMP)设备的应用价值。实际上,这能够最大化利用一种因运输和设备使用而对患者护理造成重大经济投入的系统29。
本方案展示了在左心室负荷过程中同时采用被动后负荷和被动左心房加压的可行性。通过对被动后负荷/左心房加压作为负荷方法的验证,本方案还提供了一种简便且有效的方式,可将负荷功能整合到现有的朗根多夫灌注系统中。尤为重要的是,该方法能够通过功能评估揭示在长时间保存(˃6 小时)后,存活心脏与衰竭心脏之间的差异。
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本研究严格按照麻省总医院机构动物护理和使用委员会(IACUC)以及JoVE的动物使用指南进行。采用脑死亡后捐献模型,从约克郡猪(30 - 35 kg,年龄3-4个月,性别混合)获取心脏(170 - 250 g),并通过逆向灌注(Langendorff法)维持6小时后进行负荷实验。所有移植物在器械操作过程中均经历了约1小时的冷缺血时间。
1. 系统设计
2. 灌注液系统的准备
3. 心脏移植物的获取
4. 移植物制备
5. 心脏移植物复苏
6. 心脏移植物装载
7. 灌注结束
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4只约克夏猪(30 - 35 kg)的心脏被取出后,通过Langendorff常温机械灌注(NMP)保存6小时,随后进行4小时的持续负荷。选择该实验条件是因为6小时接近临床平均保存时间(5.1 ± 0.7 h)。34通过增加4小时的持续加载(总计10小时) 离体 一段时间后,出现一定程度的心力衰竭是可预期的,因为既往已有研究明确报道了灌注时间与心肌功能下降之间存在显著相关性。35因此,这为突出功能学指标在移植物评估中的重要性及其区分存活心脏与功能衰竭心脏的能力提供了机会。在此方面,大多数基于兰格多夫(Langendorff)系统的指标显示,心脏移植物之间的存活能力无明显差异,包括冠状血管阻力(CVR, 图2C),氧气摄取率(OUR, 图 2D),乳酸积累(图 2E),葡萄糖消耗量(图 2F...
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常温机械灌注是一种强大的器官保存与评估手段,通过扩大成人供心的供体池,对心脏移植领域产生了重大影响36。这一扩展得益于目前能够利用一部分过去被认为不适合移植的心脏。常温机械灌注可在心脏跳动状态下保存移植物,从而提供功能性和代谢性评估的机会。然而,尽管其具有潜力,当前常温机械灌注的应用仍局限于少数边缘性器官(即循环死亡后捐献的器官,热缺血时间<30分钟,来自年龄<55岁且无合并症的供体)。这一限制源于缺乏准确且精确的评估技术,从而阻碍了对更广泛范围边缘性心脏的可靠评估。
在常温机械灌注(NMP)期间对左心室进行负荷加载已成为一种有前景的评估技术,因为在负荷过程中获得的血流动力学参数与移植后的预后高度相关15,16,18。实际上,在NMP过程中引入心脏负荷技术有助于对扩展标准供体器官进行评估,并可能提高其使用率,从而进一步扩大供体来源。尽...
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DV 是位于新罕布什尔州佩勒姆的 VentriFlo 公司的雇员和创始人,且拥有与本研究相关的专利申请。更多信息请见 https://ventriflo.com/patents/。 SNT 拥有与本研究相关的专利申请,并在专注于器官保存技术研发的 Sylvatica Biotech 公司科学顾问委员会任职。所有利益冲突均按照麻省总医院(MGH)和 Partners HealthCare 的利益冲突政策进行管理。 AR 和 AAO 接受来自 Paragonix Technologies 公司的研究资助。
我们衷心感谢美国国立卫生研究院(K99/R00 HL1431149;R01HL157803;R01DK134590;R24OD034189)、美国国家科学基金会(项目编号:EEC 1941543)、麻省总医院研究执行委员会授予的Claflin杰出学者奖,以及Polsky外科领导力奖为SNT提供的经费支持。 我们感谢Hassenfeld家族基金会、麻省总医院研究执行委员会 以及麻省总医院多元化与包容性中心为AAO提供的研究经费。 我们感谢Sarnoff心血管研究基金会为GO提供的研究经费。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 四通旋塞阀 | Smiths Medical | MX9341L | |
| 4-0 Prolene 缝线 | Ethicon | 8711 | |
| 5-0 缝线 | 精细科学工具公司 | 18020-50 | |
| 主动脉连接器 | VentriFLO 公司 | 定制生产 | |
| 主动脉根部插管 | 美敦力公司 | 10012 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma | A7906 | |
| 氯化钙 | Sigma | C7902 | |
| 细胞回收机 | 美敦力公司 | ATLG | |
| 细胞回收机滤芯 | 美敦力公司 | ATLS00 | |
| 右旋糖酐 | Sigma | 31389 | |
| 心外膜心电图导联 | VentriFLO 公司 | 定制生产 | |
| 设备支架和固定架 | VentriFLO 公司 | 定制生产 | |
| 体外起搏器 | 美敦力公司 | 5392 | |
| Falcon 高透明度 50 mL 锥形管 | 费舍尔科学公司 | 14-432-22 | |
| 流量探头 | Transonic Systems 公司 | 1828 | |
| 肝素钠注射液 | Medplus | G-0409-2720-0409-2721 | |
| 中空纤维氧合器和静脉储血器 | 美敦力公司 | BBP241 | 亲和力 Pixie,1 L |
| HTP 1500 热疗泵 | HTP | 6826619 | |
| 胰岛素 | Humulin R | 麻省总医院药房 | |
| Iworx 数据采集系统 | Iworx | IX-RA-834 | |
| Krebs-Henseleit 缓冲液 | Sigma | K3753 | |
| 白细胞过滤器 | Haemonetics | SB1E | |
| 器官灌流槽 | VentriFLO 公司 | 定制生产 | |
| 双极起搏导线 | 美敦力公司 | 6495 | |
| 青霉素-链霉素 | 赛默飞世尔科技 | 15140122 | |
| 压力传感器 | Iworx | BP100 | |
| 搏动泵 | VentriFLO 公司 | 2100-0270 | |
| PVC 管路 | 美敦力公司 | HY10Z49R9 | |
| 直角金属头插管 20F | 美敦力公司 | 67318 | |
| 碳酸氢钠 | Sigma | 5761 | |
| 标准 PHD ULTRA CP 注射泵 | 哈佛仪器公司 | 88-3015 | |
| 7 英寸止血带套件 | 美敦力公司 | 79006 | |
| Transonic 流量仪 | Transonic Systems 公司 | T402 | |
| 静脉储血器 | 美敦力公司 | CB841 | 亲和力 Fusion,4 L |
| Windkessel 袋 | VentriFLO 公司 | 定制生产 | |
| Y 型接头 | 美敦力公司 | 10005 |
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