本文展示了通过在Langendorff灌注过程中采用低于生理水平(60–80 mmHg)的灌注压力(30–35 mmHg),可实现小鼠心脏移植物在不丧失功能的情况下延长灌注时间(达4小时)的可行性。
本文展示了通过在Langendorff灌注过程中采用低于生理水平(60–80 mmHg)的灌注压力(30–35 mmHg),可实现小鼠心脏移植物在不丧失功能的情况下延长灌注时间(达4小时)的可行性。
尽管心血管疾病(CVD)的诊断和治疗已取得重要进展,该领域仍迫切需要加强研究和科学进步。因此,对现有研究工具集进行创新、改进和/或重新利用,可为科研进展提供更优的实验平台。离体心脏灌注(Langendorff 灌注)是心血管疾病研究领域中一项极为重要的研究技术,可通过调整以满足多种实验需求。这种定制化可通过个性化设置大量灌注参数实现,包括灌注压力、流量、灌注液、温度等。本方案展示了 Langendorff 灌注的灵活性,并证明通过采用较低的灌注压力(30–35 mmHg),可在不导致移植物功能丧失的情况下实现更长的灌注时间(4 小时)。在不造成移植物损伤或技术本身引起功能丧失的前提下实现延长灌注时间,有望消除实验结果中的混杂因素。实际上,在需要较长灌注时间的科学研究情境中(例如药物处理、免疫反应分析、基因编辑、移植物保存等),较低的灌注压力可能是科研成功的关键。
心血管研究领域在心血管疾病(CVD)的诊断和治疗方面取得了重要进展。然而,尽管总体发病率和死亡率呈下降趋势,CVD 仍是全球首要的死亡原因1,2。这一令人担忧的事实凸显了加强研究和科学进步的迫切需求,而这些进展无疑依赖于现有研究工具的准确性和可预测性。因此,持续需要对研究工具集进行创新、改进和/或重新利用。例如,逆向或朗根多夫(Langendorff)心脏灌流技术已有超过一个世纪的历史,可通过简单修改以满足更广泛的科研需求,并实现更丰富的应用范围。
在Langendorff灌流过程中,将心脏移植物与机体其他部分分离,可对多种实验参数进行有效控制,包括温度、循环溶液、冠状动脉灌注压力等3,4,5,6,7。对这些参数的调控有助于模拟多种心脏生理或病理状态,从而推动科学研究的进展5,8,9,10。在这些参数中,灌注压力可能是最常被忽视的实验设置之一11。
在朗根多夫灌流过程中,灌流压力与心率、收缩压/舒张压峰值以及耗氧量呈直接相关关系11这种相关性能够对心肌移植物产生的做功量进行直接且精确的调控,可根据具体的实验需求进行调整。尽管具备这一重要的调控能力,但该领域在历史上一直倾向于采用较高的灌注压(60–80 mmHg),使所有心肌移植物均处于高做功负荷状态,而不论实际实验需求如何。8,12,13,14,15过度工作需求所带来的后果源于一个普遍原则,即过度工作往往导致过早衰竭。这一现象在通过兰格多夫(Langendorff)法灌注的心脏移植物中尤为明显,因为该方法本身具有非生理特性,且缺乏对器官恢复的支持。 体内 似乎会加剧移植物功能衰竭。这种移植物功能的过早丧失显著限制了灌注时间和实验时长。实际上,在需要更长灌注时间的实验条件下(例如药物处理、免疫反应分析、基因编辑、移植物保存等),可适当降低心脏做功,以换取移植物更长的存活时间。
本方案证明了在Langendorff灌注过程中采用较低灌注压(30–35 mmHg)的可行性,并进一步表明,与较高灌注压(60–80 mmHg)相比,较低灌注压对心脏移植物功能随时间的变化具有显著影响。此外,本文的研究结果强调了优先优化多种灌注参数的个性化设置,以更好地满足实验需求的重要性。
本研究遵循麻省总医院机构动物护理和使用委员会(IACUC)的规定进行。
1. 系统设计
2. 灌注液制备
3. 灌注系统设置
4. 心脏移植物获取准备
5. 心脏移植物的获取
6. 灌注启动
7. 心室内球囊:
8. 取样
9. 结束/清理
取成年雄性Lewis大鼠(体重250-300 g)的心脏,分别在高(70-80 mmHg)或低(30-35 mmHg)灌注压力下进行灌注(每组n = 3)。通过记录心率、水肿程度和左心室功能,评估灌注压力对整体心脏功能和健康状况的影响。
心率与灌注压力之间存在明确的相关性(图2)。除第一个时间点外,在所有其他时间点,高压力组心脏的心率在统计学上均高于低压力组心脏(60 分钟,图2A、B)。有趣的是,低压力组心脏在灌注开始时似乎经历了一段适应期,心率约需 30 分钟才能稳定并达到此后灌注期间维持的水平(图2A)。两组之间左心室脉压(LVPP)也存在显著差异,在每个时间点,高压力组心脏的 LVPP 在统计学上均高于低压力组心脏(图3B)。这种持续的高负荷需求导致高压力组心脏功能进行性下降,在灌注 2 小时后即可观察到 LVPP 的统计学显著降低(图3A、B)。相比之下,低压力灌注的心脏未出现功能下降,LVPP 在整个灌注期间保持不变(图3A、B)。与 LVPP 相似,在整个灌注期间,高压力组心脏的心肌收缩能力(dP/dtmax)和舒张能力(dP/dtmin)均高于低压力组心脏(图3C、D)。相应地,高压力组心脏的收缩和舒张功能也呈现进行性下降,这两个参数在灌注 1 小时时均显著高于灌注最后 1 小时。而低压力组的心肌收缩与舒张功能水平相对较低,在 4 小时灌注期间保持稳定(图3C、D)。除了功能影响外,长时间的高灌注压力还会加剧心脏移植物间质液潴留,导致水肿。该水肿通过重量变化百分比进行半定量评估,结果显示,与低压力灌注的心脏相比,高压力组心脏的体重增加在统计学上更为显著(图2C)。

图1:灌注系统装置示意图。(A)整体灌注系统装置。虚线表示为优化灌流液循环而连接系统各组件的顺序。实心彩色线条表示为优化灌流液温度而连接组件的顺序。(B)插管后正确持握心脏的方法,以避免导管排空及空气进入冠状动脉。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:压力对心率和水肿的影响。(A)通过心室内球囊测量获得的心率。实线表示实验组的中位数,阴影区域表示四分位距。(B)每小时灌注期间心率数据的曲线下面积(AUC)。(C)在低压和高压下灌注 4 小时后的体重增加百分比。所有数据均表示为中位数 ± 四分位距(IQR)。*p < 0.01,**p < 0.05,***p < 0.001。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:压力对左心室功能的影响。(A)随时间变化的最大收缩压,表示为左心室脉压(LVPP)。实线代表实验组的中位数,阴影区域代表四分位距。(B)每小时灌注期间LVPP曲线下面积(AUC)。(C)通过压力脉冲的最大导数定量的心肌收缩力。(D)通过压力脉冲的最小导数定量的心肌舒张功能。所有数据均以中位数±四分位距表示。*p < 0.01,**p < 0.05,***p < 0.001,****p < 0.0001。请点击此处查看该图的放大版本。
| 离子 | 浓度 (mmol/L) |
| Na+ | 135–145 |
| K + | <6.00 |
| Ca +2 | 1.0–1.3 |
| Cl - | 96–106 |
表1:灌注液中离子浓度的可接受范围。
Langendorff 灌流是一种极为灵活的技术,可根据广泛的实验需求进行高度定制和调整。这种定制性得益于大多数灌流参数(包括灌流压力)具有显著的可调节性。由于 Langendorff 灌流为逆向灌流,灌流压力等同于冠状动脉灌流压力(CPP),而冠状动脉灌流压力在心脏功能中起着关键作用。已知冠状动脉灌流压力可直接调控心脏做功,因为多种心脏功能指标(如左心室压力、收缩力(dP/dt)最大),壁张力,心室僵硬度)与CPP成正比16,17,18历史上,该领域采用60 mmHg至80 mmHg的灌注压,实际上即脑灌注压(CPP),以试图模拟生理条件5,8,15,19,20,21然而,逆行性的非生理特性 离体 机器灌注结合高强度工作负荷,会导致心脏功能随时间延长而持续下降图3)或者,较低的灌注压力(30–35 mmHg),尽管不能准确模拟大鼠心脏的生理条件 体内,固有地降低心脏做功需求,并在不随时间推移而丧失功能的情况下实现延长的灌注时间(4 h)图3),以及减轻移植物水肿(图2C)。尽管较低的灌注压力意味着偏离了生理状态下的灌注压(CPP),但与使用生理灌注压力相比,其具有显著优势:通过消除Langendorff灌注过程中因技术因素导致的功能丧失,该方法被改进为一种更精确、可预测性更高的模型系统,有望显著推动心血管疾病研究的发展。特别是那些需要延长灌注时间才能达到科学意义的研究领域(如药物处理、免疫反应分析、基因编辑、常温器官移植保存等),在应对心血管疾病(CVDs)的挑战中正变得愈发重要。
朗根多夫灌注无疑是心血管研究领域中不可或缺的重要工具。因此,尽管该科学方法为科研界带来了显著益处,但也伴随着较高的科学复杂性。事实上,该方案中存在多个关键步骤,必须进行严格标准化,主要目的是在灌注开始前、过程中以及刚结束后避免心脏移植物受损。移植物损伤的第一个潜在风险出现在门静脉冲洗阶段,这一阶段的损伤往往不易察觉。使用肝素化生理盐水进行冲洗,旨在尽可能清除心脏移植物中的全血,具有双重目的:第一,通过放血实现安乐死;第二,由于大鼠全血的凝固时间极短,该步骤可最大限度地减少在心脏获取、插管及运输过程中移植物内发生凝血的可能性22,23。然而,在完成数百次成功的心脏灌注后发现,冲洗过程中施加于大鼠机体的压力至关重要,理想的冲洗压力约为10 mmHg。较高的门静脉冲洗压力似乎会导致心脏移植物血管系统的损伤,从而引起血管阻力升高(
)。血管阻力升高实际上会导致在较低灌注流量下即达到目标灌注压力。这种压力与冠状动脉血流之间的不平衡会反映在左心室脉压(LVPP)上,从而导致显著的变异性。
下一个可能造成心脏移植物损伤的情况是在将移植物通过冠状动脉连接至系统时引入气泡。气泡可能因操作不当处理插管的心脏(图 1B)或在气泡捕集器上游的灌注系统中未能正确去除气泡而轻易引入24。由于该装置采用逆行灌注方式,任何气泡的进入都将导致心脏空气栓塞,引发缺血性损伤、心室纤颤,并且非常常见地导致移植物死亡。最后,确保本方案成功的关键步骤发生在启动灌注时。与绝大多数报道使用Langendorff技术的研究不同,本方案中灌注的启动是在相对较低的流量下(1 mL/min)进行,并逐步递增(+0.2 mL/min),从而实现对灌注压力的完全控制5,8,15,19,20,21。这种流量(从而压力)的逐步增加至关重要,因为压力的突然变化会不可逆地增加血管阻力,并破坏精细的流量/压力平衡。
在压力控制型 Langendorff 灌流中,高血管阻力具有重要影响,因为目标灌流压力在较低流量下即可达到,导致移植物灌注不足。该方案对流量与压力之间精确平衡的高度依赖,可能是其最主要的局限性,因为任何先前的移植物损伤(无论是有意的,如延长的冷保存、热缺血损伤、心肌梗死等,还是无意的)都会导致血管阻力升高。因此,该方案特别适用于实验在灌流开始后才进行的研究(如药物处理、免疫反应分析、基因编辑、常温移植物保存等),而不适用于灌流前阶段。这一局限性充分说明,一种固定的 Langendorff 模式并不适用于所有研究目的,应特别注意根据具体实验需求调整灌流参数。
SNT 拥有与本研究相关的专利申请,并在致力于开发器官保存技术的 Sylvatica Biotech Inc. 公司担任科学顾问委员会成员。所有利益冲突均已由麻省总医院(MGH)和 Partners HealthCare 根据其利益冲突政策进行管理。
本工作获得了美国国立卫生研究院(K99/R00 HL1431149;R01HL157803)和美国心脏协会(18CDA34110049)向 S.N.T. 提供的慷慨资助。我们还衷心感谢来自美国国立卫生研究院(R01DK134590;R24OD034189)、国家科学基金会(EEC 1941543)、哈佛医学院Eleanor和Miles Shore学者 fellowship、Polsky家族基金会、麻省总医院研究执行委员会代表颁发的Claflin杰出学者奖,以及波士顿Shriners儿童医院(资助号 #BOS-85115)的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5-0 缝合线 | Fine Scientific Tools | 18020-50 | |
| 14 G 血管导管 | Becton Dickinson | 381867 | |
| 16 G 血管导管 | Becton Dickinson | 381957 | |
| 24 mm 心腔适配器 | Radnoti | 140132 | |
| 球囊导管 | Radnoti | 170423 | |
| BD 直插式无菌注射器 - 10 mL | Fisher Scientific | 14-823-16E | |
| BD 直插式无菌注射器 - 1 mL | Fisher Scientific | 14-823-434 | |
| BD 直插式无菌注射器 - 50 mL | Fisher Scientific | 14-820-11 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma | A7906 | |
| 气泡捕集顺应性室 | Radnoti | 130149 | |
| 氯化钙 | Sigma | C7902 | |
| 夹具支架 | United Scientic | RTCLMP1 | |
| 葡聚糖 | Sigma | 31389 | |
| DIN8 延长电缆 | Iworx | SKU C-DIN-EXT | |
| Falcon 高透明度 50 mL 锥形管 | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| GSC Go Science Crazy 铸铁支撑环架 | Fisher Scientific | S13748 | |
| 心脏腔室 | Radnoti | 140160 | |
| 加热循环水浴槽 | Cole Parmer | N/A | |
| 肝素钠注射液 | Medplus | G-0409-2720-0409-2721 | |
| 氢化可的松 | Solu-Cortef | MGH 药房 | |
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| Masterflex L/S 易装 II 型泵头(用于精密管路,PPS 外壳,不锈钢转子) | VWR | MFLX77200-60 | |
| Masterflex L/S 标准数字泵系统 | VWR | MFLX07551-30 | |
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| 聚乙烯管 | Fisher Scientific | 14-170-12H | |
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| 标准 PHD ULTRA CP 注射泵 | Harvard Aparatus | 88-3015 | |
| Tygon 传输软管 | VWR | MFLX95702-03 |