이식편 평가를 위한 Passive Left Atrial Pressurization 및 Passive Afterload를 사용한 심장 부하

Summary

이 프로토콜은 좌심실의 직접 로딩이 이식편 건강에 대한 평가 기법 역할을 하는 동시에 이식편 기능에 대한 전체적인 평가를 제공할 수 있는 돼지 체외 심장 관류 시스템을 설명합니다. 시스템 설계 및 가능한 평가 메트릭에 대한 설명도 제공됩니다.

Abstract

Ex vivo machine perfusion 또는 normothermic machine perfusion은 이식 분야에서 매우 중요해진 보존 방법입니다. 심장의 박동 상태로 인해 평가를 할 수 있는 엄청난 기회에도 불구하고 현재의 임상 실습은 이식편 평가를 위한 제한된 대사 추세에 의존하고 있습니다. 좌심실 부하에서 얻은 혈류역학적 측정은 객관적인 평가 매개변수로서의 잠재력으로 인해 이 분야에서 상당한 주목을 받고 있습니다. 실제로, 이 프로토콜은 추가 reservoir의 간단한 추가를 통해 기존 Langendorff 관류 시스템에 로딩 기능을 통합하는 쉽고 효과적인 방법을 제공합니다. 또한, 이는 하중을 위해 수동 좌심방 가압을 사용하는 타당성을 보여주며, 이는 우리가 아는 한 이전에 입증되지 않은 접근 방식입니다. 이 접근법은 이완기 동안 심근 관류를 최대화하기 위한 규정 준수 챔버 역할을 하는 패시브 Windkessel 베이스 애프터 로드로 보완됩니다. 마지막으로, 좌심실 맥압, 수축도 및 이완을 포함한 심장 부하 중 기능 지표를 캡처하여 장시간 보존 시간(°6시간) 후 심장 이식 기능의 결함을 발견할 수 있는 기능을 강조합니다.

Introduction

정형외과 심장 이식은 현재 말기 심부전 치료의 황금 표준입니다¹. 안타깝게도 이 분야는 심각한 기증자 부족 위기로 인해 크게 제한되어 있으며, 그 결과 매년 2,000건 이상의 사람들이 생명을^{구하는 절차의} 혜택을 받을 수 있는 심장 이식 수술이 2,000건에 불과하다. 이러한 장기 부족 현상은 미국에서만 2030년까지 심부전 유병률이 800만 명을 넘어설 것으로 예상됨에 따라 더욱 악화될 것으로 예상됩니다³. 의료 관리 개선, 기계적 순환 보조의 발전 및 UNOS 할당 정책의 수정으로 인해 대기자 명단 생존 시간이 꾸준히 증가함에 따라 주어진 순간에 이식이 필요한 환자의 수가 더욱 증가했습니다 ^4,5.

생체 외 기계 관류 또는 정상 체온 기계 관류(NMP)는 순환 사망(DCD) 후 기증된 장기의 사용을 허용하면서 보존 시간의 일부 연장을 달성함으로써 공급 풀의 확장을 촉진한 보존 양식입니다 5,6,7,8. 현재 보존을 위한 황금 표준인 정적 냉장 보관과 달리 NMP는 장기를 대사 활성 상태로 유지하여 실시간 모니터링 및 이식편 평가를 위한 기회를 만들어 DCD 이식편 ^8,9의 표준 보존 방법이 되었습니다. 그러나 현재 임상적으로 사용되는 NMP 장치는 이식 결과를 예측하기 위한 정량적 지표가 부족하고 기능적 매개변수를 캡처할 수 없는 Langendorff 관류 모드로 제한되어 있습니다⁶. 예를 들어, 랑겐도르프(Langendorff) 관류 중 젖산 축적은 이식 후 결과에 대한 최상의 대사 예측 인자로 알려져 있으며, 현재 임상 환경에서 심장 이식편 건강의 대리물로 사용되고 있다¹⁰. 그러나 가장 잘 평가되는 바이오마커임에도 불구하고 이식 후 기계적 순환 지원의 필요성을 신뢰성 있게 예측하지 못한다^11,12. 마찬가지로, 일반적으로 활용되는 혈류역학적 파라미터(즉, 대동맥 압력 및 관상동맥 혈류)의 예측 능력은 현재 심장기계 관류에 대해 임상적으로 사용되는 구성의 역행 특성에 의해 크게 제한된다⁹.

NMP 중 심장 이식편 건강을 정확하고 정밀하게 측정하기 위한 평가 프로토콜의 개발은 이식 후 결과를 개선하는 것 이상으로 이 분야에 엄청난 영향을 미칠 것입니다. 객관적인 예측 도구를 사용하면 엄격한 선정 기준으로 인해 현재 이식이 거부된 DCD 및 뇌사 기증자(DBD)의 한계 또는 확장된 기준 장기(예: 장기간의 온난(> 30분) 및 한랭 허혈 시간(> 6시간), 기증자 연령 증가(> 55), 기타 동반 질환 등)에 대한 신뢰할 수 있는 평가와 활용 가능성이 있다¹³. 한계 심장의 사용을 가능하게 함으로써, NMP는 현재 사용되지 않는 심장의 절반을 성공적으로 이식하면 2-3년 이내에 심장 대기자 명단을 제거하기에 충분할 것으로 추정되기 때문에 장기 공급의 증가를 촉진할 수 있다¹⁴. NMP 중 좌심실 부하에서 얻은 혈류역학적 측정은 객관적인 평가 매개변수로서의 잠재력으로 인해 이 분야에서 상당한 주목을 받고 있습니다. 이전 연구에서는 좌심실 맥압, 수축성 및 이완과 같은 이러한 매개변수가 대사 경향보다 심장 이식 기능을 더 잘 나타내는 것으로 입증되었습니다 15,16,17.

실제로, 평가 정확도를 극대화하기 위해 최적의 하중 측정 방법을 개발하고 식별하는 데 노력을 기울여 왔습니다. 이러한 노력을 통해 다른 그룹에서는 로딩 중 대동맥 관류의 가장 관련성이 높은 모드를 확인했으며, 이에 따라 펌프에 의한 지원 후부하(즉, 로딩 중 대동맥에 역행 관류)와 비교할 때 수동 후부하(즉, 로딩 중 대동맥에 역행 관류 없음)를 구현할 때 혈류역학적 매개변수와 이식 후 기능 간의 더 강력한 상관관계가 확인되었습니다.¹⁸. 이는 보조 관상동맥 관류가 기능적 결함을 가릴 가능성이 있음을 나타냅니다. 이전 연구는 Windkessel 효과 18,19,20을 모방하는 시스템을 구현하여 수동적 애프터 로드를 관류 설정에 성공적으로 통합했습니다. Windkessel 효과는 혈압의 변동을 완화하고 조직으로의 지속적인 혈류를 유지하며 관상 동맥 관류를 개선하는 데 도움이 됩니다. 이 프로토콜은 관상 동맥 관류가 심장 박출(특허 출원 중)에만 전적으로 의존하는 두 개의 스프링 장착 플레이트에 둘러싸인 수정된 정맥(IV) 백을 사용하여 Windkessel 기반 수동 후부하를 달성합니다.

로딩 중 수동 좌심방(LA) 가압(즉, 중력 의존적 가압)의 사용은 작은 동물의 심장 관류에서 일반적인 관행이지만 큰 심장의 로딩에서는 거의 사용되지 않습니다 21,22,23. 대신, 문헌에 보고된 대부분의 방법은 LA 가압 18,24,25,26,27,28을 위한 2차 펌프에 의존합니다. 펌프가 아닌 중력 의존 저장소를 통한 LA의 가압은 하중 프로토콜의 구현을 크게 단순화합니다. 중력을 사용하면 고정되고 일정한 압력원이 제공되므로 적절한 LA 가압을 달성하고 유지하기 위해 복잡한 제어 시스템의 필요성이 크게 줄어듭니다. 또한 이 가압 접근 방식을 통해 2차 펌프에 대한 요구 사항이 제거되어 추가 저장소만 필요하기 때문에 현재 Langerdoff 설정에 부하 기능을 쉽게 통합할 수 있습니다. 임상적으로 활용되는 기계 관류 시스템에 로딩 기능을 통합하면 보존 기간 동안 심장 이식편에 대한 자세한 평가를 용이하게 하여 심장 NMP 장치의 적용을 증폭시킬 수 있습니다. 사실상, 운송 및 장치 활용으로 인해 환자 치료에 상당한 재정적 부담을 초래하는 시스템의 효용을 극대화하는 것²⁹.

이 프로토콜은 좌심실 부하 동안 수동 후부하와 수동 LA 가압을 모두 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 로딩 방법으로서의 수동 후부하/LA 가압의 검증을 통해 이 프로토콜은 로딩 기능을 기존 Langendorff 관류 시스템에 통합하는 쉽고 효과적인 방법을 제공합니다. 중요한 것은 장기간 보존 후(˃6 h) 생존 가능한 심장과 쇠약하는 심장의 차이를 발견하기 위한 기능 평가의 능력을 강조한다는 것입니다.

Protocol

이 연구는 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee), Massachusetts General Hospital 및 Jove의 동물 지침에 따라 수행되었습니다. 심장(170 - 250 g)은 요크셔 돼지(30 - 35 kg, 3-4개월령, 남녀 혼성)에서 뇌사 후 기증 모델을 사용하여 수확하고 적재 전 6시간 동안 역행(Langendorff)으로 관류했습니다. 모든 이식편은 기기 사용 중 약 1시간의 냉간 허혈 시간에 노출되었습니다.

1. 시스템 설계

1. 시스템이 장기 챔버(11.046인치 x 7.595인치 x 3.095인치), 저장소 2개(4L 및 1L), 이중 재킷 산소 공급기 1개 및 Windkessel 백(WB)으로 구성되어 있는지 확인합니다. 두 저장소 모두에 거품을 제거하는 소포제가 내장되어 있는지 확인하십시오.
2. 구성 요소가 실리콘 튜브로 단단히 연결되어 있는지, 더 작은 저장소, WB 및 장기 챔버가 관류 방식(즉, Langendorff 대 하중)에 따라 두 가지 다른 구성(그림 1A)으로 되어 있는지 확인합니다.
   1. 3/8인치 튜브를 사용하여 장기 챔버의 바닥을 큰(정맥) 저장소의 상단에 연결합니다. 장기 챔버 아래에 큰 저장소를 배치하여 중력이 챔버에서 저장소로 관류액을 순환시킬 수 있도록 합니다.
   2. 3/8인치 튜브를 사용하여 대형 저장소의 바닥을 펌프 헤드의 유입 포트에 연결합니다.
   3. 펌프 헤드의 유출 포트를 3/8인치에서 3/8인치 감속기와 다른 쪽 끝에 1/4인치 튜브가 장착된 1/4인치 튜브에 연결합니다. 1/4인치를 산소발생기의 유입 포트에 연결합니다.
   4. 산소 공급기의 유출 포트를 끝에 Y 커넥터가 있는 1/4인치 튜브로 끼웁니다. Y 커넥터의 양쪽 끝을 1/4인치 튜브에 맞춥니다.
   5. 시퀀스 1 - Langendorff 관류 중 관류 흐름 패턴( 그림 1A의 파란색 점선)
      1. Y 커넥터의 첫 번째 끝을 루어 연결이 내장된 1/4인치 - 3/8인치 익스팬더에 맞춥니다. 3/8인치 튜브를 WB 하단의 첫 번째 포트에 연결합니다. 익스팬더의 루어 연결부에 3방향 루어 밸브를 부착하고 아데노신 드립 전달에 활용합니다.
   6. 시퀀스 2 - 부하된 관류 중 관류 흐름 패턴( 그림 1A의 주황색 점선)
      1. Y 커넥터의 두 번째 끝을 더 작은(로딩) 저장소의 상단에 연결합니다. Hoffman cl을 부착하십시오.amp 튜브에 넣고 저장소 충전 제어에 사용합니다.
      2. 적재 저장소의 상단에서 더 큰 저장소까지 오버플로 라인을 배치합니다.
      3. 로딩 저장소의 바닥을 1/4인치 튜브로 끼우고 오르간 챔버 바닥의 포트에 연결합니다. 아데노신 전달을 위해 튜브 길이의 중간에 3방향 루어 밸브를 추가하고 장기 챔버에 도달하기 직전에 단방향 밸브를 추가합니다.
      4. 오르간 챔버 포트의 다른 쪽 끝을 직각 캐뉼라에 부착합니다.
   7. Windkessel 백(WB)을 오르간 챔버 바로 위에 놓습니다. WB 하단의 두 번째 오버플로 포트를 3/8인치 튜브로 끼우고 정맥 저장소의 유입 포트에 연결합니다. Hoffman cl을 부착하십시오.amp Langendorff 동안 이 포트를 통한 유체를 중지하고 부하 모드에서 조정하여 대동맥 압력을 조절하도록 합니다.
   8. 3방향 루어 밸브를 WB 상단의 오버플로 포트에 연결하고 1/4인치의 튜브를 사용하여 WB를 정맥 저장소의 유입 포트에 연결합니다. 호프만 클램프를 1/4인치 튜브에 부착합니다. 클램프를 유지하십시오.amp Langendorff 관류 중에는 완전히 닫고 로딩 모드 중에 조정하여 대동맥 압력을 조절하십시오.
   9. WB의 세 번째 유출 포트를 3/8인치 튜브를 통해 장기 챔버의 대동맥 포트에 연결하고 온도 프로브 길이의 하단 3/4을 중단합니다.

2. 관류 시스템 준비

1. 0.96% Krebs-Henseleit Buffer, 9.915mM Dextran, 25mM 중탄산나트륨, 1.054mM 소 혈청 알부민, 1% Pen Strep, 0.13% 인슐린, 0.02% 하이드로코르티손, 0.5% 헤파린 및 2.75mM 염화칼슘으로 구성된 기본 관류액을 준비합니다. 증류수를 사용하여 부피를 4L로 가져옵니다.
2. 관류 시스템 설정
   1. 모든 튜브, 시스템 구성 요소 및 저장소를 증류수로 헹구고 올바른 순서로 다시 연결합니다(그림 1A).
   2. 두 개의 아크릴 판 사이에 Windkessel 백을 놓고 나사 스프링 설정으로 조입니다(보충 그림 1).
   3. 장기 챔버의 대동맥 포트와 심방 포트의 루어 연결부에 3방향 루어 밸브를 부착합니다(그림 1B). 두 개의 압력 센서를 장기 상자에 연결하는데, 하나는 장기 챔버 상단의 대동맥 포트에 연결된 밸브에 연결되고 다른 하나는 장기 챔버 하단의 심방 포트에 연결된 밸브에 연결됩니다.
   4. 압력 센서를 공기에 노출시키고(0mmHg 압력) 기록 장치에서 이 판독값을 0으로 설정하여 보정합니다.
   5. 두 개의 유량 센서를 시스템 튜브에 연결합니다. 대동맥 유량을 측정하는 센서를 WB와 대동맥 포트를 연결하는 3/8인치 튜브에 연결합니다. 심방 유량을 측정하는 센서를 적재 저장소를 심방 포트에 연결하는 튜브에 연결합니다.
   6. WB를 대동맥 포트에 연결하는 3/8인치 튜브에 온도 프로브를 연결합니다. 대동맥 포트에 부착된 밸브의 세 번째 포트에 디에어링 튜브를 연결하고 항상 열어 두십시오. 라인의 다른 쪽 끝을 정맥 저장소의 유입에 연결합니다.
   7. 열교환기를 산소발생기에 연결하고 38°C로 설정합니다. 100% 산소 라인을 산소 공급기의 가스 유입 포트에 연결합니다. 산소를 0.5L/min으로 켭니다.
3. 시스템 프라이밍
   1. 장기 챔버를 사용하여 시스템에 2L의 관류수를 추가합니다. 박동성 펌프를 켜고 관류액이 최소 pO₂ of 400mmHg로 산소화되고 온도가 ~35°C에 도달할 때까지 관류수가 순환하도록 합니다(로딩 저장소 건너뛰기).
   2. 관류액이 순환하고 모든 시스템 구성 요소를 채워 공기를 제거하도록 합니다. 잔여된 기포가 있는 튜브를 마사지하여 제거합니다. 그런 다음 유체 유출을 부분적으로 차단하고 펌프 유량을 증가시켜 압력을 높여 대동맥 포트에 갇힌 공기를 제거합니다. 이러한 압력 증가는 모든 공기를 퍼지/탈기 튜브를 통해 밀어냅니다.
   3. 관류액이 원하는 온도(37°C, 온도 프로브를 통해 지속적으로 모니터링)에 도달할 때까지 순환하도록 하고 생화학적 매개변수에 대한 초기 평가를 수행하여 올바른 이온 농도(표 1)와 적절한 산소화를 확인합니다.
      알림: 용액을 온도(37°C)까지 올리고 적절하게 산소를 공급한 후 이온 및 pH 수준을 읽으십시오.

3. 심장 이식편 조달

1. 아트로핀(0.04mg/kg), 텔라졸(4.4mg/kg) 및 자일라진(2.2mg/kg)을 근육 주사하여 동물을 진정시킵니다.
2. 진정제가 투여되면 동물을 수술실로 옮기고 양쪽 귀에 삽입된 IV 라인을 사용하여 정맥 접근을 얻습니다.
3. IV 라인을 통해 프로포폴 한 덩어리(0.16-0.33mg/kg)를 투여하고 주사 후 3분 후에 유해 자극을 테스트합니다. 반사 신경이 없으면 동물을 삽관하고 필요에 따라 지속적인 이소플루란(3%-5%) 흡입 및 펜타닐 정맥 주사(5-20 μg/kg/h)를 통해 마취를 유지합니다.
4. 삽관이 완료되면 앞다리 양쪽에 압박 커프를 놓고 산소 포화도 모니터링을 위해 아랫입술 정점에 EKG 센서를 연결합니다.
5. 식염수를 떨어뜨리기 시작하고 귀 IV 라인을 통해 투여합니다. 동물의 복부 측면에 수술용 드레이프를 놓습니다.
6. 흉골 절개술을 준비하기 위해 펜타닐 시트레이트(5μg/kg) 덩어리를 정맥 주사합니다.
7. 10날 메스(~25cm)로 흉골 노치와 시푸체 사이를 수직으로 절개합니다. 절개 후 전기 소작을 사용하여 흉골에 도달 할 때까지 피하 지방과 근막을 나눕니다.
8. 일단 노출되면 흉골의 꼬리 쪽에서 둔한 손가락 절개를 사용하여 부착된 심낭을 흉골에서 분리합니다. 이렇게 하려면 흉골의 등쪽에 손가락을 대고 흉골과 내장 사이에 부착된 조직을 분리합니다.
9. 흉골의 꼬리 부분에 끌을 삽입합니다. 끌에 하늘로 힘을 가하면서 망치를 사용하여 흉골 뼈를 통해 끌을 전진시킵니다.
10. 정중 흉골 절개술이 완료된 후 흉골의 완전한 분리(xiphoid에서 sternal notch까지)에 의해 결정되는 흉골 견인기를 놓고 완전히 노출될 때까지 엽니다.
11. 대동맥과 폐동맥이 보일 때까지 Metzenbaum 가위로 심낭을 두개골로 절개합니다.
12. 두 개의 지갑 끈 봉합사(4-0 Prolene)를 대동맥에 놓고 지혈대 올가미로 고정합니다. 봉합사가 대동맥의 매체층을 통과하지만 내강을 통과하지 않도록 주의하십시오. 표재성 봉합사는 대동맥 뿌리 캐뉼라를 제자리에 유지하지 못하고 깊은 봉합사는 대동맥에서 출혈을 일으킵니다.
13. 귀 IV를 통해 헤파린 덩어리(100U/kg)를 투여하고 3분 동안 순환시킵니다.
14. 지갑 끈 사이에 대동맥에 수직인 9F 대동맥 뿌리 캐뉼라를 삽입하고 지혈대 스네어를 부드럽게 조여 고정합니다. 캐뉼레이션 부위 주변에 누출이 없는지 확인하십시오. 대동맥 뿌리 캐뉼라의 심정지 라인이 대동맥에서 혈액이 흐르도록 하여 공기를 빼냅니다.
15. 심정지 용액 백을 루어 잠금 장치에 연결합니다. 압력 백을 사용하여 심정지 백에 압력을 가하여 세척하는 동안 80mmHg가 되도록 합니다. 연동 펌프를 대동맥 뿌리 캐뉼라의 두 번째 줄에 연결하고 대동맥에서 직접 1L의 혈액을 추출하는 데 사용합니다.
16. 혈액 회수 장치를 사용하여 적혈구를 분리합니다(적혈구는 원심분리하고 식염수로 세척합니다). 원하는 온도에 도달한 후 관류 시스템에 적혈구를 추가합니다.
17. 충분한 혈액이 채취되면 경흉부 십자가를 사용하여 대동맥을 고정하고 심정지 라인을 열어 장기를 씻어냅니다.
18. 크로스 클램프 및 플러시 시작 직후 좌심방 부속기를 5cm 절개하고 하대정맥을 완전히 절단하여 심장을 환기시킵니다. 이때 흉강에 얼음을 넣으면 장기의 온도를 낮추는 데 도움이 됩니다.
19. 배출에 성공한 후에는 머리의 따뜻한 혈액이 차가워진 심장에 도달하는 것을 막기 위해 대정맥을 심하게 하거나 묶습니다.
20. 1L의 심정지 용액으로 심장을 씻어내면 대동맥, 주요 폐동맥, 상대정맥과 하정맥, 양측 폐정맥을 포함한 대혈관을 나눕니다. 이것으로 심장 이식이 완료되었습니다. 캐비티에서 심장을 제거합니다.
    알림: 이식편에 부착된 큰 혈관의 길이를 가능한 한 많이 유지하십시오. 폐 정맥을 가능한 한 폐에 가깝게 자릅니다.
21. 장기를 개복술 스펀지로 감싸고 얼음 위에 놓습니다.

4. 이식편 준비

1. 대동맥궁의 가지를 잘라 하나의 유출로를 만듭니다. 이 관을 통해 대동맥 캐뉼라를 삽입하고 지퍼 타이와 4-0 실크 봉합사로 고정합니다(그림 2).
2. 우심실의 후방벽에 양극성 페이싱 와이어를 놓습니다. 폐 정맥을 절단하여 좌심방으로 단일 유입관을 형성합니다.
3. 왼쪽 심방으로 둘러싸인 두 개의 지갑 끈 4-0 프롤린 봉합사를 만듭니다. 지혈대 스네어로 봉합사를 고정하고 적재할 때까지 묶지 않은 상태로 두십시오.
4. 간단한 연속 봉합사(4-0 Prolene)를 사용하여 좌심방 부속기를 닫습니다. 초기 심장 무게를 기록합니다.

5. 심장 이식편 부활

1. Clamp 관류수 흐름을 중지하기 위해 대동맥 포트 바로 앞에 3/8인치 튜브를 삽입합니다. 후방벽이 작업자를 향하도록 심장을 배치합니다. 오르간 챔버의 각도를 약 20°로 조정합니다.
   참고: 이식편 관류의 이 위치는 수동 배수를 증가시키기 위해 선택되며 교수형²⁶에 비해 기능이 크게 개선되었음을 보여주는 이전에 발표된 데이터와 일치합니다.
2. 대동맥 캐뉼라를 대동맥 포트에서 90° 각도로 놓고 대동맥 라인을 천천히 풉니다. 대동맥 캐뉼라로 들어가는 관류액의 점진적인 흐름에 의해 공기를 제거합니다.
3. 대동맥 캐뉼라가 대동맥 포트와 일직선이 되고 대동맥 선에 완전히 연결될 때까지 대동맥 캐뉼라의 각도를 천천히 줄입니다.
4. 완전히 연결되면 좌심실 충전으로 인한 팽창을 방지하기 위해 간헐적으로 심장을 부드럽게 마사지합니다. 이 기간 동안 열린 좌심방을 통해 좌심실을 배출합니다.
5. 이와 동시에 대동맥 압력을 모니터링하고 허용 범위(30 - 40 mmHg) 이내로 유지해야 합니다.
6. 데이터 수집 시작 및 333uL/min의 속도로 아데노신 드립을 시작합니다.
   참고: 아데노신(2mg/mL)은 임상 관류의 현재 상태를 모방하기 위해 관류 프로토콜에 추가됩니다. 그러나, 이와 관련된 혈관 확장은 원치 않는 장기 부종을 악화시킬 수 있다는 점을 지적하는 것이 중요하다 30,31,32.
7. 페이싱 와이어를 페이싱 박스에 연결하고 백업 페이싱으로 60bpm으로 설정합니다.
8. 세동이 있는 경우 30J의 패들을 사용하여 심장을 제세하십시오. 리드미컬한 수축을 달성할 때까지 필요한 만큼의 충격을 가합니다.
9. 조직화된 리듬(페이스 또는 내재적)이 존재하면 수동 환기를 중단하고 후크 바늘을 사용하여 EKG 리드를 심장에 직접 배치합니다.
10. 대동맥 압력 센서에서 표시된 파형이 사인파를 모방할 때까지 Windkessel 백의 나사를 조입니다. 이전에 설명한 대로 6시간 동안 Langendorff 구성의 관류 심장³³.

6. 심장 이식편 로딩

1. 직각 캐뉼라를 장기 챔버의 심방 포트에 연결합니다. 연결되면 clamp 캐뉼러를 연결하고 Hoffman cl을 풀어 유체가 적재 저장소로 들어갈 수 있도록 합니다.amp 산소 공급기와 적재 저장소 사이의 라인에 있습니다.
2. 압력이 15 - 20 mmHg에 도달할 때까지 로딩 저장소를 채우십시오. 대동맥 압력과 심방 압력을 모두 유지하기 위해 펌프의 출력을 높입니다.
3. 직각 금속 팁의 절반을 왼쪽 아트리움에 삽입하고 팁이 부속물을 향하도록 합니다. 이 배치는 승모판 능력을 가장 일관되게 촉진합니다.
4. 좌심실 압력 기록을 위해 좌심실 내부에 압력 센서를 삽입합니다. cl을 해제amp 캐뉼러에 놓고 왼쪽 아트리움이 채워지도록 합니다.
5. 공기가 제거되면 이전에 배치한 봉합사와 지혈대 스네어를 사용하여 왼쪽 심방의 입구를 완전히 닫습니다. 유체 누출을 최소화하기 위해 필요에 따라 캐뉼라와 스네어를 조정하십시오.
6. 좌심방에 캐뉼라를 고정한 후 산소 공급기에서 WB까지의 라인을 클램프로 고정하여 대동맥으로의 역행 관류를 완전히 중단합니다.
7. 아데노신 드립을 WB로 이어지는 라인에서 로딩 저장소와 심방 포트 사이의 라인으로 이동합니다.

7. 관류 종료

1. 실험 기간(30시간) 동안 10분마다 생화학적 판독값, 심박수, 대동맥/심방 흐름 및 압력을 기록합니다. 유입 측정을 위해 심방선에서 생화학적 판독값을 얻고 유출 측정을 위해 폐동맥에서 직접 생화학적 판독값을 얻습니다.
2. 관류가 끝나면 데이터 수집을 중지하고 심장을 제거한 후 폐기하십시오.
3. 시스템의 고정되지 않은 부분을 큰 싱크대에 동원하고 분해하고 헹구고 많은 양의 물로 청소하십시오.
4. 구성 요소에 혈액 잔여물이 보이지 않으면 시스템을 다시 조립합니다. 장기 챔버를 통해 시스템에 많은 양의 물을 추가하고 약 100mL의 액체 알칼리성 세제를 추가하여 물과 함께 순환시킵니다.
5. 세제가 물과 잘 섞이면, clamp 모든 저장통이 세제 용액으로 채워진 상태를 유지하기 위해 시스템 라인을 연결합니다.
6. 시스템의 나머지 부분에서 산소 공급기를 분리하고 물로 한 번 더 헹구어 모든 비누를 제거합니다.
7. 비누가 완전히 제거되면 가능한 가장 높은 속도로 유체 입력을 통해 공기를 분사하여 산소 공급기를 불어 건조시킵니다.

Results

요크셔 돼지 4마리(30 - 35kg)의 심장을 채취하여 Langendorff NMP를 통해 6시간 동안 보존한 후 4시간 동안 연속 적재했습니다. 이 실험 조건은 6시간이 평균 임상 보존 기간(5.1 ± 0.7시간)이기 때문에 선택되었습니다(³⁴). 4시간의 추가 연속 부하( 총 생체 외 시간 10시간)를 추가함으로써 관류 시간과 심근 기능 저하 사이의 명확한 상관관계가 이전에 보고된 바 있으므로 어느 정도의 심부전이 예상되었습니다³⁵. 따라서 이는 이식편 평가를 위한 기능적 지표의 중요성과 생존 가능한 심장과 실패하는 심장을 구별하는 능력을 특징으로 할 수 있는 기회를 제공했습니다. 이 용량에서 대부분의 Langendorff 기반 지표는 혈관 저항성(CVR, 그림 2C), 산소 흡수율(OUR, 그림 2D), 젖산 축적(그림 2E), 포도당 소비량(그림 2F) 및 칼륨 축적(그림 2G)이 전체 관류 시간 동안 통계적으로 다르지 않은 것으로 나타나 심장 이식편 간의 생존율에 뚜렷한 차이가 없음을 나타냈습니다. 마찬가지로, 이식편에 의해 증가된 무게에서는 차이가 나타나지 않았다(그림 2H). 그러나 하중 시간 2시간 후(그림 2A) 이식편 실패에 대해 심박수가 꾸준히 감소하는 것으로 나타났으며, 곡선 아래 면적은 관류 3시간까지 통계적으로 다르지 않았습니다(그림 2B). 또한, 그림 3 에 나타난 하중 의존적 지표는 로딩 시간 30분 이내에 심장 기능의 손실을 시사했으며, 수축성 측정치(dP/dt_max)는 기능 상실을 나타내는 첫 번째 지표였습니다(그림 3C). 심박수와 유사하게, 좌심실 맥압(그림 3A)의 꾸준한 감소는 부하 관류 2시간 후에 나타났으며, 이식편의 맥압(그림 3B)과 이완(dP/dt_min, 그림 3D) 간의 통계적으로 유의미한 차이가 1.5시간의 관류 후에 나타났습니다.

그림 1: 관류 시스템 설정. (A) 관류 설정. 검은색 선은 두 관류 방식 모두에서 관류액의 흐름을 나타냅니다. 파란색 점선은 Langendorff 관류 중에만 관류액의 흐름을 나타내고 주황색 선은 부하 관류 중 관류액의 흐름을 나타냅니다. (B) 대동맥(실선) 및 심방(점선) 압력 센서의 위치. 심방 압력 센서는 아트리움 아래 공간적으로 위치하기 때문에 적절한 LA 가압을 위해 높이 차이를 고려했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 기존 평가 지표. 메트릭은 Langendorff 관류 중에 획득이 가능한 경우 기존 메트릭으로 표시됩니다. (A) 심박수는 좌심실 내 압력 센서를 사용하여 얻은 압력파에서 계산되었습니다. 그러나 이 지표는 Langendorff 기간에도 사용할 수 있는 EKG 추적에서 쉽게 계산할 수 있으므로 기존 지표로 간주됩니다. 실선은 중앙값이고 음영 영역은 사분위수 범위(IQR)입니다. (B) 관류 시간 30분마다 심박수 데이터의 AUC(Area Under the Curve). (C) 이식편의 혈관 저항(CVR). (D) 산소 흡수율(OUR). (E) 젖산 축적. (F) 포도당 섭취. (G) 칼륨 축적. (H) 부종의 대용물로서의 체중 증가율. 모든 데이터는 중앙값 ± 사분위간 범위(IQR, n = 4)로 표현됩니다. 표준 최소제곱에 대한 이원 분산 분석 및 Tukey-Kramer HSD 사후 분석을 반복 측정합니다. * = p <0.01. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 비전통적 평가 지표. 메트릭은 로드된 관류 중에만 획득이 가능한 경우 비전통적 것으로 표시됩니다. (A) 시간 경과에 따른 좌심실(LV) 맥압 표시. 실선은 중앙값이고 음영 영역은 IQR입니다. (B) 관류 시간 30분마다 LV 펄스 압력의 곡선 아래 면적(AUC). (C) 심장 수축률의 AUC는 관류 30분마다 LV 맥압의 최대 도함수에서 얻었습니다. (D) 심장 이완의 AUC는 관류 시간 30분 동안 LV 맥압의 최소 유도체로부터 얻어졌다. 모든 데이터는 중앙값 ± 사분위간 범위(IQR, n = 4)로 표현됩니다. 표준 최소제곱에 대한 이원 분산 분석 및 Tukey-Kramer HSD 사후 분석을 반복 측정합니다. * = p <0.01, ** = p <0.05, *** = p < 0.001, **** = p <0.0001. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이온	농도(mmol/L)
나+	135-145
케이 +	3.5-6.0
캘리포니아 +2	1.0-1.3
Cl -	96-106

표 1: 관류물에서 허용 가능한 이온 농도 범위.

보충 그림 1: 관류 시스템 설정. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

정상 기계 관류는 장기 보존 및 평가를 위한 강력한 양식으로, 성인 심장의 기증자 풀을 확장함으로써 심장 이식 분야에 큰 영향을 미쳤다³⁶. 이러한 확장은 이전에 이식에 적합하지 않다고 여겨졌던 소규모 심장 풀을 현재 활용할 수 있는 능력의 결과입니다. Normothermic 기계 관류는 심장 이식편을 박동 상태로 보존하여 기능 및 대사 평가를 위한 기회를 제공합니다. 그러나 그 잠재력에도 불구하고 현재 NMP의 적용은 한계 장기의 제한된 하위 집합(즉, 55세 < 기증자로부터 <30분의 따뜻한 허혈 시간이 있고 동반 질환이 없는 순환 사망 후 기증된 장기)에 국한되어 있습니다. 이러한 한계는 정확하고 정밀한 평가 기법이 부족하기 때문에 발생하며, 이는 더 넓은 범위의 주변부 심장에 대한 신뢰할 수 있는 평가를 방해합니다.

NMP 중 좌심실 부하(left ventricular loading)는 로딩 중에 얻어진 혈역학적 매개변수가 이식 후 결과와 높은 상관관계가 있을 수 있기 때문에 유망한 평가 기법으로 부상했다 15,16,18. 실제로, NMP 중 심장 부하를 평가 기법으로 통합하면 확장된 기준 장기의 평가 및 활용을 촉진하여 기증자 풀을 더욱 확장할 수 있습니다. 엄청난 잠재적 영향에도 불구하고, 로딩 기능은 현재 임상 NMP 시스템(³⁷)에서 사용할 수 없다. 로딩 기능을 기존 NMP 시스템에 통합하는 것을 단순화하고 표준화하기 위해 이 프로토콜은 대규모 심장 관류에서 거의 사용되지 않는 접근 방식인 수동 좌심방(LA) 가압(즉, 중력 종속 가압)의 실현 가능성을 보여줍니다. 이 가압 방법은 2차 펌프의 필요성을 제거하여 심장 부하의 구현을 크게 단순화합니다. 그러나 중력이 LA 압력의 주요 결정 요인이기 때문에 하중 저장소와 동반되는 압력 센서(심방 압력 센서)의 공간적 배치를 인식하는 것이 성공적인 심장 하중을 위해 매우 중요합니다. LA의 과압 및 과소 가압은 모두 최적이 아닌 하중 조건을 초래하고 다양한 메커니즘을 통해 이식 실패로 이어질 수 있으므로 높이로 인한 압력 차이를 고려하기 위해 각별한 주의를 기울여야 합니다.

LA를 비정상적으로 높은 압력에 노출시키면 심장 충전 압력이 상승(즉, 좌심실이 완전히 이완되기 전에 승모판이 열리는 현상)이 발생하며, 이러한 현상은 심장 이식편 손상과 나쁜 예후를 유발하는 것으로 알려져 있다³⁸. 또한, 덜 분명한 고압은 LA를 비생리적 스트레칭에 노출시켜 비정상적인 기계 조절과 심방 나트륨 이뇨 펩타이드(ANP)의 분비를 잠재적으로 증가시킵니다³⁹. 기계-조절(mechano-modulation)과 ANPs는 모두 심방세동(atrial fibrillation)의 원인으로 알려져 있다^(40,41). 반면에, 생리학적으로 낮지 않은 좌심방 압력은 이완기 동안 좌심실의 부적절한 충전을 초래하여 심박출량을 감소시킬 수 있습니다. 이 프로토콜은 수동 후부하(즉, 좌심실로부터의 전행 관류에 대한 관상동맥 혈류의 완전한 의존으로 로딩 중 대동맥에 역행 관류가 없음)를 활용하기 때문에 심박출량 감소는 심근 관류 및 상대 허혈을 감소시킬 수 있습니다. LA의 과압/과소 가압은 적재 공정 중에도 발생할 수 있으므로 적재 캐뉼라 주변의 아트리움을 닫기 전에 적재 저장소를 미리 채우고 압력을 주의 깊게 확인하는 것이 중요합니다. 잘못된 심방 가압은 기술 의존적 이식편 손상의 가장 가능성 있는 원인입니다. 또한 가장 성능이 좋은 염기서열과 로딩 캐뉼라의 이상적인 크기를 결정하기 위해 수많은 반복이 수행되어 올바르게 실행하는 것이 가장 어려운 부분이었습니다.

프로토콜의 성공과 관련성을 위해 특히 중요한 또 다른 요소는 in vivo 순환에서 볼 수 있는 Windkessel 효과를 모방하는 수동 후부하를 사용하는 것입니다. 생리학적 조건에서 Windkessel 효과는 큰 중앙 동맥, 특히 대동맥이 수축기 동안 저장소와 이완기 동안 도관 역할을 하는 능력을 나타냅니다. 수축기 동안에는 대동맥의 탄성벽이 확장되어 혈액량⁴²의 급증을 수용합니다. 이렇게 저장된 혈액은 이완기 동안 동맥벽의 탄성 반동에 의해 서서히 방출됩니다. 이 메커니즘은 혈류의 시간적 변동성을 감소시켜 다소 연속적인 장기 관류를 보장한다⁴³. 이것은 심장에 특히 중요한데,⁴³ 다른 장기와 달리 심근 관류는 거의 독점적으로 이완기⁴⁴ 동안에만 발생합니다. 따라서 Windkessel 효과를 체외 관류 시스템에 통합하면 관상 동맥 관류의 생리학적 공급원을 보다 생리학적으로 제공할 수 있으며, 이는 역행 및 부하 관류 모드 모두에서 유용합니다. 더욱이, 평가 목적으로 부하 관류에 이 시스템을 구현하면 다른 사례에서 나타난 바와 같이 Windkessel 기반 후부하로 관류된 이식편의 심장 성능이 이식 후 결과와 더 강한 상관관계가 있는 예측 능력이 증강되는 것으로 보인다¹⁸. 이 설정에서 Windkessel 효과는 나사식 스프링(보충 그림 1)을 통해 연결된 두 개의 아크릴 판 사이에 둘러싸인 수정된 IV 백을 사용하여 달성되며, 이는 다른 보고된 Windkessel 장치 18,19,20보다 상대적으로 간단한 시스템입니다. 또한 로딩 스프링을 조이거나 풀 수 있는 기능은 반동 압력에 대한 엄청난 제어를 제공하여 실험 설정의 미세 조정을 용이하게 했습니다.

우리 시스템을 사용하면 관류 방법을 Langendorff와 로드 모드 간에 쉽게 전환할 수 있습니다. Loaded 모드를 사용하면 이식편의 좌심실에서 기능 데이터(즉, 좌심실 맥압, 수축성, 이완, 그림 3)를 획득할 수 있습니다. 이 기능적 데이터는 생체 외 관류 시스템(¹⁰)에서 심장 이식편 평가를 위한 임상 표준인 젖산(그림 2B)을 포함한 생화학적 경향(그림 2)에서 명백하지 않은 이식편 생존율의 뚜렷한 차이를 보여주었습니다. 더욱이, 이 프로토콜에서 기술된 바와 같이, 로드된 모드에서의 관류는 심박출량(CO = 심박수 * 스트로크 볼륨)을 측정할 수 있게 하여, 심장 기능(^45,46)의 추가적이고 보다 종래적인 메트릭을 제공한다. 현재 설정에서 획득하기 더 어려운 변수인 스트로크 용적은 관상 동맥 흐름을 정량화하여 얻을 수 있으며, 이는 심방 및 대동맥 흐름과 함께 이완기 말기 및 수축기 말기 용적을 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 마찬가지로, 뇌졸중 체적은 심초음파 측정 또는 압력-체적 루프를 통해 얻을 수 있습니다. 이 설정은 심장의 왼쪽에만 하중을 가할 수 있어 좌심실의 기능 데이터를 얻을 수 있다는 점을 강조하는 것이 중요합니다. 이 방법은 우심실 기능에 대한 정보를 제공하지 않습니다. 이는 현재 프로토콜의 가장 큰 한계일 수 있으며, 특히 우심실 기능 장애는 좌심실 기능 장애보다 이식 수술에서 더 흔하게 발생하기 때문에 더욱 그러하다⁴⁷. 그러나 우심실 기능 장애는 이식 후 몇 주 후에 해결되는 것으로 보고되었으며, 아마도 그 중요성의 우선순위가 낮아질 수 있다⁴⁷.

특히, 이 원고의 결과에 제시된 4개의 이식편은 정확히 동일한 방식으로 Langendorff를 사용하여 6시간 동안 조달하고 관류했습니다. 이 실험 조건은 6시간이 정상 발열 기계 관류 이식편의 평균 보존 기간이며, 추가로 4시간의 연속 로딩( 총 생체 외 시간 10시간)을 추가하면 어느 정도의 이식 실패가 발생할 것으로 예상되었기 때문에 선택되었습니다. 이 예상되는 실패는 기능적 메트릭의 필요성을 강조할 수 있는 기회를 제공했으며 Langendorff 기반 메트릭과 비교할 때 평가 능력을 입증했습니다. 실제로, 이 원고의 결과는 패시브 LA 가압 및 패시브 후하중 로딩을 통해 획득한 일부 기능적 매개변수가 보존 시간을 연장한 DBD 심장 이식편의 생존력 차이를 가리지 않을 수 있는 능력을 보여줍니다. 여기에서 입증되지는 않았지만, 다른 알려진 부상 및/또는 기능적 결함(즉, DCD, 고령 기증자, 동반 질환)이 있는 이식편의 생존 가능성을 결정하기 위해 이 평가 효과가 복제될 수 있다고 가정하는 것이 합리적이지만, 이러한 이식편 내의 기능적 특성 및 차이점을 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 마찬가지로, 기능적 지표가 이식 가능한 심장 이식편과 이식 불가능한 심장 이식편과 어떻게 상관 관계가 있는지, 그리고 생존 가능성 지수의 다른 가능한 출처와 어떻게 연관되어 있는지 결정하기 위한 추가 연구도 필요합니다. 예를 들어, 대동맥 하중 압력과 심방 부하 압력의 차이는 신뢰할 수 있는 생존력 지표가 될 수 있는데, 이러한 압력 판독값 간의 차이는 심인성 쇼크(cardiogenic shock)의 부족 또는 존재를 나타낼 수 있기 때문이다⁽⁴⁸).

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
4방향 스톱콕	스미스 메디컬
4-0 프롤렌 봉합사	에티콘	8711
5-0 봉합사	정밀 과학 도구	18020-50
대동맥 커넥터	벤트리플로 Inc		맞춤형
대동맥 루트 캐뉼라	Medtronic Inc	10012
소 혈청 알부민	시그마	A7906
칼슘 클로라이드	시그마	C7902
세포 보호기	메드트로닉 Inc	ATLG
셀 세이버 카트리지	메드트로닉 Inc	ATLS00
덱스트란	시그마	31389
EKG 심외막 리드	벤트리플로 Inc		맞춤형
장비 스탠드 및 브래킷	벤트리플로 Inc		맞춤형
외부 심장 박동기	메드트로닉 Inc	5392
Falcon High Clarity 50mL 원뿔형 튜브	Fisher Scientific	14-432-22
플로우 프로브	TranSonic 시스템 inc	1828
헤파린 나트륨 주입	Medplus	G-0409-2720-0409-2721
중공사 산소 공급기 및 Venous  Resevior	메드트로닉 Inc	BBP241	어피니티 픽시, 1L
HTP 1500  열 치료 펌프	HTP	6826619
인슐린	Humulin R		MGH 약국
Iworx 데이터 수집 시스템	Iworx	IX-RA-834
Krebs-Henseleit 버퍼	시그마	K3753
백혈구 필터	Haemonetics	SB1E
장기 챔버	VentriFLO Inc		맞춤 제작
페이싱 와이어 Biopolar	Medtronic Inc	6495
페니실린-스트렙토마이신	ThermoFisher Scientific	15140122
압력 유도제	Iworx	BP100
박동식 펌프	VentriFLO Inc	2100-0270
PVC 튜브	메드트로닉 Inc
직각 메탈 팁 캐뉼라 20F	메드트로닉 Inc	67318
나트륨 비카로보네이	시그마	5761
표준 PHD ULTRA CP 주사기 펌프	하버드 아파라투스	88-3015
지혈대 키트 7in	메드트로닉 Inc	79006
천음속 플로우 박스	TranSonic Sytems Inc	T402
정맥 회수체	메드트로닉 Inc	CB841	Affinity Fusion, 4L
스테인리스 가방	VentriFLO Inc		맞춤 제작
Y 어댑터	Medtronic Inc	10005