我们描述了一种 离体 用于评估供体心脏保存策略的离体工作大鼠心脏方案。本文描述了啮齿类动物供体心脏静态冷保存的实验方案;然而,该方案也可用于循环死亡后捐献和脑死亡后捐献所获取的供体心脏。
我们描述了一种 离体 用于评估供体心脏保存策略的离体工作大鼠心脏方案。本文描述了啮齿类动物供体心脏静态冷保存的实验方案;然而,该方案也可用于循环死亡后捐献和脑死亡后捐献所获取的供体心脏。
优化供体心脏保存液在器官获取、运输和移植过程中对减少供体心脏缺血-再灌注损伤具有关键作用。本实验室先前的研究表明,在供体心脏保存液中添加硝酸甘油和促红细胞生成素可显著改善长时间冷保存以及循环死亡后捐献心脏的心脏功能恢复。该补充方案已在澳大利亚、比利时和英国的移植中心投入临床使用。本文概述了一种利用离体心脏灌注模型测试保存液补充策略的实验方案 离体 离体工作大鼠心脏(IWRH)灌注回路。利用该方法,可在长时间冷静态保存、脑死亡后捐献及循环死亡后捐献等供体心脏保存情境下,测试不同的补充干预策略。通过主动脉流量、冠状动脉流量、心输出量、脉压和心率等指标评估心脏功能恢复情况,可用于判断特定保存策略是否能够减轻供体心脏的缺血-再灌注损伤。
心脏移植的成功在很大程度上受到供体心脏保存方法的影响。供体心脏在器官获取、运输和移植过程中会经历缺血性损伤。通过选择合适的供体心脏保存策略,可以减轻供体器官所受的缺血性损害。冷静态保存(CSS)目前仍是供体心脏保存最可行且最常用的方法;然而,CSS并不一定适用于所有类型的心脏捐献途径。例如,通过循环死亡后捐献(DCD)途径获取的心脏需使用常温机械灌注进行维持和活力评估,而通过脑死亡后捐献(DBD)途径获取的心脏则可采用CSS或低温机械灌注进行保存。另一个影响保存策略选择的重要因素是心脏在器官获取和运输过程中所经历的热缺血时间(对于DCD)或冷缺血时间(对于DBD)的长短。
许多中心采用额外的药物补充方法来增强心脏保存液的效果,以提高心脏对缺血的耐受性并改善移植后的心脏功能。本实验室的啮齿类动物研究表明,在心脏停搏液中添加促红细胞生成素(erythropoietin)和硝酸甘油(glyceryl trinitrate)可显著改善供体心脏在长时间低温保存后的 cardiac functional recovery1,2。这些研究随后推进至猪的供体心脏保存实验,为将促红细胞生成素和硝酸甘油加入通过常温机械灌注(normothermic machine perfusion)途径获取的DCD供心的心脏停搏液中提供了临床前基础3,4,5。目前,澳大利亚的移植单位在临床DBD心脏获取过程中结合冷静态保存(CSS)时,也已常规使用促红细胞生成素和硝酸甘油的补充方案。下文所述的离体工作大鼠心脏(IWRH)灌注方案的总体目标是在实验室环境中评估供体心脏保存策略,并检验其在再灌注后维持供体心脏功能的有效性。本实验室已使用该离体工作大鼠心脏方案超过二十年,实践证明其在筛选可能改善供体心脏保存效果的补充剂和/或策略方面极为有效2,7,8,9。
所有动物均按照澳大利亚国家卫生与医学研究委员会(National Health and Medical Research Council, Australia)的指导原则接受人道护理。所有动物实验程序均经加文医学研究所动物伦理委员会(Garvan Institute of Medical Research, 澳大利亚悉尼)批准。
1. 克雷布斯-亨塞莱特(KH)缓冲液的制备
2. 灌注回路的准备
3. 设置 Lab Chart(数据分析)软件
4. 大鼠心脏分离的动物准备
注意:以下概述了用于冷静态保存的非DBD和非DCD大鼠心脏的离体与灌注方法。无论采用何种捐献方式,将心脏连接至灌注回路的操作步骤均大致相似。DBD与DCD大鼠心脏捐献方案的主要差异出现在动物麻醉生效后至心脏从动物体内被切除的这段时间内。
5. 将心脏插管连接至离体工作心脏灌注系统
6. 心脏冷静态保存期间停跳液的灌注
7. 冷静态保存后心脏再灌注
8. 功能恢复的分析
基础灌注的结果将决定初始实验(储存前)是否成功。在朗格多夫模式下显示的主动脉流量应介于 14 - 22 mL/min 之间。由于主动脉为逆向灌注,流量计上显示的朗格多夫流量为负值。可接受的朗格多夫曲线示例见图 4A。
切换至工作模式后,心脏稳定时主动脉流量应至少达到30 mL/min。主动脉流量初始短暂上升至约50 mL/min,随后下降至约25 mL/min,再回升至稳定的基线流量,此现象属正常。当基线参数达到满意水平(主动脉流量 > 30 mL/min,冠状动脉流量10–20 mL/min,心率200–300 bpm)时,即可进行心脏储存。良好的基线记录示例见图4B。
根据所测试的保存液不同,一些心脏在长时间冷静态保存后可能无法获得良好的恢复效果,即使其基线状态良好。图 4C 展示了工作模式下恢复效果不佳的示例曲线。
主动脉血流的最终功能恢复率可根据再灌注结束时主动脉血流读数相对于基线值的百分比计算得出。例如,若心脏的基线主动脉血流(AF)为 40 mL/min,冷静态保存后在再灌注结束时的 AF 为 20 mL/min,则该心脏的 AF 恢复率为 50%。此数据表示方法的示例如图 5所示。

图 1:工作心脏灌流回路。 (A)离体大鼠工作心脏灌流回路的照片。红色框标示离体心脏所处的位置。(B)离体工作心脏灌流回路示意图,显示了Krebs-Henseleit(KH)缓冲液在回路中的流动方向,其中虚线表示Langendorff模式灌流,实线表示工作模式灌流。请点击此处查看此图的放大版本。

图2:LabChart 软件设置。(A)主动脉压力、主动脉血流和心率的通道设置。(B)使用三个通道设置的 LabChart 模板示例。右侧窗口显示各个通道的单独设置。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:插管与心脏停搏。(A)将心脏置入水浴夹层腔室前的插管操作。左侧插管插入主动脉,右侧插管经左心耳插入左心室。肺血管已结扎,肺组织已解剖去除。(B)给予心脏停搏液后,将心脏置于含有停搏液的烧杯中。在从灌流装置上断开前,插管已使用动脉夹夹闭。(C)将心脏置于冰盒中进行长时间低温保存的示例。此处两颗心脏已被保存用于再灌注实验。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:LabChart 记录示例。 显示压力(红色曲线)、主动脉血流(蓝色曲线)和心率(绿色曲线)的记录,分别对应于心脏在(A)良好的 Langendorff 模式记录、(B)工作模式再灌注期间良好恢复、(C)工作模式再灌注期间恢复不良的情况。请点击此处查看此图的放大版本。

图5:功能恢复的代表性图示。 (A)主动脉血流,(B)冠状动脉血流,(C)心输出量,以及(D)心率。本图经Gao等8许可重用。请点击此处查看此图的放大版本。
鉴于心脏基础功能的敏感性,必须注意保持灌注装置的清洁,并使用兼容的组件。例如,必须使用正确的PVC管路。某些管路材料(如硅胶)可能导致主动脉流量和收缩力降低,这可能是由于氧气通过管路流失所致。尽管市面上已有独立的离体工作大鼠心脏灌注回路,但大多数此类系统主要用于兰格多夫(Langendorff)灌注。通常,在兰格多夫灌注模型中,可通过将球囊导管插入左心室来获取左心室舒张末期压力(LVDP)的功能测量值。然而,在兰格多夫灌注系统中无法直接测量原始主动脉流量和心输出量。离体工作大鼠心脏(IWRH)方案的一个主要优势在于,无需对心脏进行额外干预(如插入球囊导管),即可获得主动脉流量和心输出量的功能测量数据。目前存在商用的大鼠工作心脏灌注系统,尽管这些系统可根据具体研究需求进行定制,但通常成本较高。
在灌注过程中,为确保啮齿类动物心脏的最佳基础功能,实验方案中存在若干关键步骤。KHB缓冲液的储备溶液配制时间不得超过4周。灌注管路在预充时必须完全排除任何气泡。插管左心耳时需格外小心。过度操作组织可能增加撕裂风险,同时也可能加重心脏的功能性应激反应。
IWRH 灌注回路的性能质量通常可通过心脏获得的基线读数来确定(AF > 30 mL/min,CF 约为 20 mL/min)。在 CSS 模型中,可通过将心脏停搏并保存在添加了 1 µmol/L 锌尼普利(zoniporide)和 0.1 mg/mL 硝酸甘油(glyceryl trinitrate)的 Celsior 保存液中,进一步进行质量控制检测。使用添加硝酸甘油和锌尼普利的 Celsior 溶液进行停搏,可确保 Langendorff 再灌注后立即恢复,并在 6 小时冷保存后实现 40–60% 的最终功能恢复。如果对灌注装置的性能是否良好存在疑问,该质量控制补充方案可用于测试验证。
关于利用循环死亡后捐献获取的啮齿类动物心脏的方法已有先前描述10,11。简言之,大鼠经麻醉后,对其颈动脉进行插管并获取压力读数。通过颈动脉插管注入肝素(500 IU)。结扎气管以启动生命支持撤除。当达到所需的热缺血时间后,可将心脏切除并连接至灌注回路。为向DCD心脏灌注保存液,通过回路中的压力管路以约20 mL/min的速度将60 mL保存液经主动脉冲洗。结扎肺血管,剥离肺组织,插入左心插管,再通过压力管路冲洗40 mL保存液。随后按照上述方案对心脏进行灌注。功能恢复以功能性血流动力学的原始数值表示,统计分析通过将这些数值与假手术组心脏(无DCD处理,但在灌注装置上进行冲洗)的数值进行比较而完成。
关于使用脑死亡后获取的啮齿类动物心脏的方法已有先前描述12。简而言之,动物接受麻醉、气管插管和通气,并按照DCD啮齿类动物方案进行血流动力学监测。在颞顶骨部位钻孔,将一根3F取栓导管置于硬脑膜下。假手术对照组动物仅钻孔,不插入导管。随后在2分钟内向球囊注入0.3 mL水使其膨胀,并维持膨胀状态1小时。经过1小时的血流动力学观察后,取出心脏并连接至离体工作心脏灌注系统,记录基线数据,给予心脏停搏液,随后按上述方法进行低温保存。
使用IWRH灌注回路的主要局限性在于无法使用基于血液的灌注液在系统中循环。由于无法获取足量的啮齿类动物血液加入灌注液中,因此基于血液的灌注不可行。可能需要开展其他替代模型研究,例如啮齿类异位心脏移植或大型动物原位心脏移植实验,以评估基于血液的灌注的影响。然而,这些替代方法需要具备显微外科技术经验,以及大型动物手术设施,并需要有经验的麻醉师、灌注师和心胸外科医生参与。
作者声明无利益冲突。
本研究所述工作已获得澳大利亚国家卫生与医学研究委员会、圣文森特诊所基金会以及新南威尔士州卫生心血管研究能力高级研究员拨款向 P.S Macdonald 提供的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 无色 Eppendorff 管,每盒 1000 个 | Bio Strategy Pty Ltd | 0030.125.150 | |
| 15 mL 离心管(S)套/25 个聚丙烯箱/500 个 | Sigma-aldrich Pty Ltd | CLS430791-500ea | |
| 血压换能器/电缆套件 | ADInstruments | MLT1199 | 数据采集 |
| 桥式放大器 | ADInstruments | FE221 | 数据采集 |
| Carbogen 555G2 | BOC | BOC002 | |
| Checktemp1 温度计 | Hanna Instruments | HI98509 | 装置构建 |
| 夹钳,夹持直径 1/4-7/16 英寸,12 个/包 | Thomas Scientific | 2848Y40 | 装置构建 |
| 带延长杆中号夹钳 | Thomas Scientific | 8847T08 | 装置构建 |
| 带延长杆小号夹钳 | Thomas Scientific | 8847T02 | 装置构建 |
| 血管夹,60 g 压力 | Coherent Scientific | 14121 | 手术设备 |
| 封闭式连接器 | Thomas Scientific | 8847E25 | 装置构建 |
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| 2 L 锥形瓶 | |||
| 微孔滤膜,GF/C 型玻璃纤维,47 mm,100 片 | Bio-strategy Pty Ltd | 1822047 | |
| 镊子,15 cm,0.3 mm,弯型 | Coherent Scientific | 14114 | 手术设备 |
| 四爪夹钳,臂长 9 mm × 115 mm,用于夹持直径 2–70 mm 的物体,表面覆乙烯基 | Met-App Australia Pty Ltd | 1352 | 装置构建 |
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| 肝素 5000 U/5 mL,每盒 50 支,Pfizer 02112115 | Clffird Hallam Healthcare Pty Ltd | 1258693 | 药品 |
| Ilium Xylazil 20 注射液 50 mL | Cenvet Australia Pty Ltd | X5010 | 麻醉剂 |
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| 氯胺酮 100 mg/50 mL | Provet (NSW) Pty Ltd | KETAI1 | 麻醉剂 |
| 七水合硫酸镁 AR 级 500 g Chemsupply | Bio Strategy Pty Ltd | MA048-500g | 用于配制 Krebs 缓冲液 |
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| 梅岑鲍姆剪刀,14.5 cm 直型 | Coherent Scientific | WPI-501252 | 手术设备 |
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| 三爪夹钳,臂直径 9 mm,臂长 125 mm,带双螺钉,用于夹持 5–80 mm 物体 | Met-App Australia Pty Ltd | 1356 | 装置构建 |
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| PVC 管,内径 7.94 mm × 外径 11.1 mm,50 英尺卷(15.24 m),透明,不含 DEHP 邻苯二甲酸盐,食品级,符合 REAC 标准 | Thermo Fisher | NAL 8701-0900 | 装置构建 |
| PVC 管,内径 9.52 mm × 外径 12.7 mm,100 英尺卷 | Thermo Fisher | NAL 8701-4120 | 装置构建 |
| Vannas 剪刀,8.5 cm,直型,7 mm 刀片 | Coherent Scientific | WPI-500-086 | 手术设备 |
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