China Heart左心輔助裝置的動物在體存活實驗

劉修健 吳廣輝 徐創(chuàng)業(yè) 王 璟 侯曉彤 李海洋楊 朋 渠文波 藺嫦燕*

1(首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院，北京 100029)

2(北京市心肺血管疾病研究所，北京 100029)

3(蘇州同心醫(yī)療器械有限公司，蘇州 215125)

引言

20世紀90年代以來，植入式左心室輔助裝置(left ventricular device，LVAD)作為治療終末期心力衰竭患者的重要手段，在臨床中應用越來越多。目前，LVAD可用于心肌恢復的過渡支持、心臟移植前的過渡支持以及最終輔助支持等[1-3]。在血泵的設計上，VAD 的發(fā)展經(jīng)歷了 3 個階段[2，4]：第 1 代容積式脈動泵、第2代軸流式恒流泵、第3代無軸承磁懸浮恒流泵。近年來國外許多研究機構致力于第3代血泵的研究，已有的動物在體存活實驗和臨床試驗結果均表明，第3代無軸承血泵避免了第2代泵機械軸承可能導致的一些嚴重問題，如機械磨損、摩擦生熱、溶血性能差、易形成血栓等，顯著提高了血泵的血液相容性和在體輔助支持時間[5-8]。目前國內大多數(shù)VAD都還處于第2代血泵的體外溶血或動物的在體實驗階段，可見報道的文獻均表明難以克服第2代血泵普遍存在的問題[9-10]。

蘇州同心醫(yī)療器械有限公司研制開發(fā)的China Heart VAD，為國內首例采用磁懸浮驅動的第3代LVAD。前期的體外溶血實驗顯示其具有良好的溶血性能[11]，但是否具有較好的在體可靠性和較長的輔助支持時間還需動物在體實驗證實。本實驗的目的是通過在綿羊體內植入China Heart VAD的動物在體存活實驗，觀察動物的存活狀況，評估其在體血液相容性、可靠性以及對實驗動物終末器官的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

選擇健康雄性綿羊6只，體重為(60±9.5)kg，由北京市平谷區(qū)模擬醫(yī)院提供，動物批號為SYXK(京)2010-0019。

1.2 左心輔助裝置

China Heart VAD為磁懸浮離心式血泵(見圖1)，血泵體積約為45 mL，重約350 g，體外動力學輸出實驗證實其轉速為2500 r/min時(入出口壓差為80 mmHg)可提供6 L/min的血流輔助支持(見圖2)。

圖1 China Heart左心輔助裝置Fig.1 The China Heart VAD

圖2 血泵流量-壓力關系曲線Fig.2 The pressure-flow curve of the pump

1.3 主要儀器設備

麻醉機(Aeon7200，北京誼安醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司)、心電監(jiān)護儀(RSM-4101K，NIHON KOHDEN，日本)、ACT 測量儀及耗材(ACT II，美敦力公司，美國)。

1.4 實驗試劑

鹿眠寧(吉林華牧動物保健品有限公司，中國)、鹽酸塞拉嗪(吉林省方正動物藥業(yè)科技有限公司，中國)、氯胺酮注射液(江蘇恒瑞醫(yī)藥有限公司，中國)、異氟醚(上海雅培制藥有限公司，中國)、丙泊酚注射液(西安立邦制藥有限公司，中國)、利多卡因注射液(上海和豐藥業(yè)有限公司，中國)、維庫溴銨(哈爾濱三聯(lián)藥業(yè)，中國)、肝素(常州千紅生化制藥股份有限公司，中國)、注射用青霉素納(華北制藥股份有限公司，中國)、華法林(Orion，芬蘭)、戊巴比妥鈉(上海艾研生物科技有限公司，中國)、氯化鉀注射液(天津藥業(yè)焦作有限公司，中國)等。

1.5 植入過程

實驗羊術前禁食24 h。術前肌注鹿眠寧(4 mg/kg)和鹽酸塞拉嗪(0.5 mg/kg)，經(jīng)左耳靜脈建立靜脈通路，靜脈注射氯胺酮(15 mg/kg)以誘導麻醉。麻醉誘導后，羊右側臥位，氣管插管后接呼吸機輔助呼吸，用氧合(100%)異氟醚(3%)和持續(xù)靜滴丙泊酚(6～8 mg/kg/h)維持麻醉。靜脈滴注利多卡因(2 mg/min)防止心律失常，靜脈注射維庫溴銨(5 mg)維持肌肉松弛。左側第5肋間開胸，剝離出部分降主動脈外膜，經(jīng)靜脈給予肝素(1.5 mg/kg)，使得全血活化凝血時間(activated clotting time，ACT)值達400 s以上，血泵出口經(jīng)人工血管與降主動脈吻合。剪開心包膜暴露左心室心尖部位，在心臟不停跳的情況下，血泵入口插管從左心尖插入，建立“左心室-左心室輔助裝置-降主動脈”體循環(huán)輔助旁路(見圖3)。血泵驅動線經(jīng)第8肋左側椎旁穿出。術中靜脈滴注青霉素480萬單位以預防感染。

圖3 輔助裝置植入過程。(a)側壁吻合;(b)心尖插管;(c)血泵植入位置Fig.3 Surgical implantation process.(a)Lateral wall anastomosis;(b) Apical cannulation;(c)Implanted position of the pump

1.6 術后護理

羊術后即移入羊籠中，蘇醒并拔除呼吸插管后即給予進食。術后初始2～3 d內靜脈滴注肝素抗凝(3 U/(kg·h)左右)，確保 ACT值維持在 120～180 s之間，當 INR值(international normalized ratio，INR)維持在2.5～4.0時，改用口服華法林(3 mg/d)的方法。為預防感染，術后每天靜脈滴注青霉素320萬單位，直至白細胞水平恢復正常。每天按時記錄羊的生理狀態(tài)，如心率、呼吸頻率、體溫、進食及排便等情況。

1.7 數(shù)據(jù)采集

通過計算機軟件連續(xù)監(jiān)測并記錄羊的心率和泵的運行參數(shù)(見圖4)，包括泵轉速、泵流量(模擬流量)和入出口壓差(模擬壓力)和電機功率等。術前和術后1周內每天對實驗羊進行一次血常規(guī)、生化和血凝檢查，1周后每周進行一次檢查。

圖4 監(jiān)測界面Fig.4 Monitoring interface

1.8 尸解和病理分析

實驗羊擇期行安樂死前，靜脈注射肝素(3 mg/kg)以預防羊死后血泵內血栓的形成。參照美國獸醫(yī)學會實驗動物安樂死處死的相關標準，靜脈注射戊巴比妥鈉(50 mg/Kg)和10%氯化鉀注射液(10 mL)處死動物。取出血泵后，檢查血泵泵體內、入口和出口流道內有無血栓形成。肉眼觀察心臟、肺、肝、腎、脾等終末主要臟器有無梗死灶和發(fā)生病變，并對其做常規(guī)組織學病理切片檢查。

2 結果

2.1 動物存活狀況

所有實驗羊在體存活時間及死亡原因見下表1，其中有2只羊(羊3和羊6)成功復蘇后拔除呼吸插管行自主呼吸，并分別輔助循環(huán)20 d和38 d后行安樂死處死。術后護理期間，羊6術后至第3 d伴有血尿后恢復正常;羊3術后第16～18 d伴有血尿發(fā)生，后恢復正常。

2.2 心室輔助裝置

術后護理期間心室輔助裝置植入后無機械故障發(fā)生，血泵的運行參數(shù)(泵轉速、泵流量、泵功率、壓力)見表2。

表1 實驗動物在體存活狀況Tab.1 Summary of in vivo evaluation of China Heart VAD in sheep

表2 血泵運行參數(shù)(平均數(shù)±標準差)Tab.2 Pump performance of case#3 and#6(Mean ±SD)

2.3 血常規(guī)、生化和血凝檢查

羊術前和術后的全血、生化及血凝檢查部分結果見表3。

表3 全血、生化和血凝檢查結果(平均數(shù)±標準差)Tab.3 Hematologic and biochemical data at baseline and at study termination(Mean±SD)

2.4 尸解和病理分析

尸解后，羊3血泵內有小塊血栓沉積，其余輔助裝置內、入口和出口管道無血栓形成(見圖5)。尸解時肉眼觀察心臟心尖插口處、肺、肝、腎、脾等主要終末臟器無缺血或梗死灶，無明顯病變發(fā)生。組織切片病理檢查結果：兩只羊左肺貼近輔助裝置部位均可見小葉性肺炎(見圖6);羊3右腎部分位置可見腎小管上皮細胞壞死，結構消失，腎臟組織中可見小血管血栓;其余終末臟器的切片未發(fā)現(xiàn)血栓栓塞和實質器官出血，無明顯病變發(fā)生。

圖5 尸解血泵內部圖。(a)植入羊3內的血泵;(b)植入羊6內的血泵Fig.5 China Heart VAD after autopsy.(a)case#3 for 20-day support;(b)case#6 for 38-day support

圖6 病理切片。(a)羊3左肺;(b)羊6左肺;(c)羊3右腎Fig.6 Microscopic pathological findings.(a)Left lung of case#3;(b)Left lung of case#6;(c)Right kidney of case#3

3 討論

China Heart VAD是國內首例研制開發(fā)的采用磁懸浮驅動的第3代無軸承左心室輔助裝置。大多數(shù)第2代血泵葉輪繞軸承旋轉，因軸承摩擦產(chǎn)生大量熱量，同時因流道中可能存在的血液流動死區(qū)，易導致蛋白質變性或血栓和溶血發(fā)生[12]。China Heart VAD葉輪無軸承，采用磁懸浮驅動，避免了葉輪和軸承間的摩擦生熱，無流動死區(qū)，減少了血栓和溶血事件的發(fā)生[11]。本次實驗2只綿羊分別成功輔助循環(huán)20 d和38 d，除羊3(存活20 d)血泵泵體內有小塊血栓沉積外(原因分析見下文)，血泵泵體內及入口和出口流道其余部位均無可見血栓形成;護理期間血常規(guī)、生化和血凝檢查結果也均在正常范圍內。

在多數(shù)情況下，國內研究者研制出的血泵因為加工精度較差、表面光滑度不夠等原因，常存在很多問題，如粗糙的表面可能產(chǎn)生二次流從而導致血栓形成[13]。然而，China Heart VAD運用國際領先的加工工藝，再結合無軸承的葉輪設計結構，很好地避免了相關問題的發(fā)生。本次實驗2例存活的實驗動物存活時間在國內同類實驗中為最長(見表4)，且尸解時各終末主要臟器結構和功能均無顯著變化，證實其在體血液相容性良好。

表4 國內LVAD在體動物實驗存活狀況[14－19]Tab.4 In vivo survival experiments of domestic LVAD

抗凝是心室輔助裝置動物在體實驗時必須考慮的一個重要環(huán)節(jié)。但是因為抗凝的選擇與血泵本身的設計特點和血液相容性能等因素有關，國際上并沒有固定的標準。但也有文獻表明，抗凝不足可引起血泵內血栓形成，抗凝過度可導致出血并發(fā)癥的發(fā)生[20-21]。本研究中根據(jù)前期體外溶血試驗相關結果，選擇了較低的抗凝策略，即使術后ACT值控制在120～180 s之間，并在術后拔除靜脈插管后，采用易于護理的口服華法林(3 mg/d)的方法抗凝。實驗結果表明China Heart VAD主體血泵對抗凝要求較低，具有較好的抗血栓性能，口服華法林的方法抗凝效果更優(yōu)于靜脈滴注肝素。另外，China Heart VAD在心臟不停跳情況下植入，無體外循環(huán)過程，縮短了手術時間，避免了體外循環(huán)可能導致的并發(fā)癥問題[22-23]。

但是，本實驗也存在一些問題。如羊3(存活20 d)尸解時血泵泵體內有小塊血栓形成(圖5(a))。經(jīng)過分析認為這是因為血泵轉速過低(約2000 r/min)，致使泵體內葉輪懸浮后與底座間存在的間隙區(qū)負壓不夠，血液無法泵出而滯留造成的;同時這也是術后16 d后伴有血尿、病理檢查時發(fā)現(xiàn)腎臟部分組織可見小血管血栓形成的可能原因。因此，羊6(存活38 d)的在體實驗中，我們提高了血泵的轉速，提高到2500 r/min，尸解結果得到了明顯改善，血泵內無血栓形成，病理檢查也顯示腎臟無明顯病變發(fā)生。

同時，也分析了兩只實驗羊左肺貼近輔助裝置部位均發(fā)生小葉性肺炎的原因，認為可能是輔助裝置植入后一定程度上壓迫并粘連左肺，使得其無法正常擴張，局部供血不足所致。但是進一步的原因分析還須后續(xù)實驗證實。

最后，本次實驗也證實麻醉、手術操作在動物的存活中也至關重要。因麻醉、手術操作或術后護理等原因，術后3～28 h時內有4只死亡：其中1只羊術后28 h均無法成功復蘇恢復自主呼吸，最后呼吸衰竭而死;2只羊術后5～10 h內因心尖縫合處或降主動脈吻合處撕裂出血而死;還有1只羊術后3 h內因呼吸插管脫落，再插管后導致腹部脹氣且無法消除，最后氧飽和度過低而死亡。我們認為，因為是首次動物在體實驗，相關的麻醉用藥和劑量、手術操作技巧的把握和術后護理經(jīng)驗等均需要一定時間的摸索。但是2例成功的實驗表明，在克服這一系列的問題后，China Heart VAD的在體血液相容性和可靠性等在國內各研制的血泵中是處于領先水平的。

4 結論

研究結果表明China Heart VAD工作性能穩(wěn)定可靠，給實驗動物提供長達38 d的機械循環(huán)輔助支持，是國內VAD在體實驗動物存活時間最長個例報告，且輔助期間具有良好的在體血液相容性，對各主要終末器官結構和功能無顯著影響。

[1]徐曉佳，李帆.軸流式血泵的研究進展[J].北京生物醫(yī)學工程，2005，24(5)：394-397.

[2]Timms D.A review of clinical ventricular assist devices[J].Med Eng Phys，2011，33(9)：1041-1047.

[3]Rogers JG，Butler J，Lansman SL，et al.Chronic mechanical circulatory support for inotrope-dependent heart failure patients who are not trans-plant candidates：results of the INTrEPID trial[J].J Am Coll Cardiol，2007，50：741-747.

[4]Nguyen DQ，Thourani VH.Third-generation continuous flow left ventricular assist devices[J].Innovations(Phila)，2010，5(4)：250-258.

[5]Patel SM，Throckmorton AL，Untaroiu A，et al.The status of failure and reliability testing of artificial blood pumps[J].ASAIO J，2005，51(4)：440-451.

[6]Farrar DJ，Bourque K，Dague CP，et al.Design features，developmental status，and experimental results with the Heartmate III centrifugal left ventricular assist system with a magnetically levitated rotor[J].ASAIO J，2007，53(3)：310-315.

[7]Wieselthaler GM，O Driscoll G，Jansz P，et al.Initial clinical experience with a novel left ventricular assist device with a magnetically levitated rotor in a multi-institutional trial[J].J Heart Lung Transplant，2010，29(11)：1218-1225.

[8]Morshuis M， Schoenbrodt M， Nojiri C， et al. DuraHeart magnetically levitated centrifugal left ventricular assist system for advanced heart failure patients[J].Expert Rev Med Devices，2010，7(2)：173-183.

[9]張巖，胡盛壽，周建業(yè)，等.FW型軸流泵的體外溶血與動物實驗研究[J].中國胸心血管外殼臨床雜志，2009，16(2)：114-117.

[10]吳廣輝.軸流式心臟輔助裝置及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].北京生物醫(yī)學工程，2004，23(4)：306-308.

[11]吳廣輝，藺嫦燕，陳琛，等.植入型心室輔助裝置溶血及可植入性實驗[J].首都醫(yī)科大學學報，2011，32(6)：806-810.

[12]Birks EJ， Tansley PD， Yacoub MH， et al. Incidence and clinical management of life-threatening left ventricular assist device failure[J].J Heart Lung Transplant，2004，23(8)：964-969.

[13]王玉璇，張杰民，施超，等.可植入微型軸流血泵溶血實驗研究[J].山西醫(yī)科大學學報，2010，41(2)：133-136.

[14]張巖，胡盛壽，周建業(yè)，等.FW型軸流泵的體外溶血與動物實驗研究[J].中國胸心血管外科臨床雜志，2009，16(2)：114-117.

[15]Chen Haibo，Zhou Jianye，Sun Hansong，et al.Short-term in vivo preclinical biocompatibility evaluation of FW-II axial blood pump in a sheep model[J].ASAIO J，2011，57(3)：177-182.

[16]李國榮，朱曉東，郝宗超，等.心尖軸流泵的解剖相容性及對心肌損傷的動物實驗觀察[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31(3)：20-22.

[17]周成斌，肖學軍，莊建，等.小兒羅葉泵在動物實驗中的初步應用[J].中華實驗外科雜志，2011，28(3)：439-441.

[18]葉亮，范慧敏，盧蓉，等.可植入式心室輔助裝置動物模型的建立[J].中國實驗動物學報，2009，17(6)：457-459.

[19]范慧敏，盧容，劉中民.國產(chǎn)植入型心室輔助裝置的實驗研究[J].同濟大學學報(醫(yī)學版)，2006，27(5)：6-9.

[20]Nakata K，Yoshikawa M，Takano T，et al.Antithrombogenicity evaluation of a centrifugal blood pump[J].Artif Organs，2000，24(8)：667-670.

[21]Menon AK.Current success and risks of mechanichal circulatory support[J].Anasthesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther，2011，46(6)：434-441.

[22]Frazier OH，Gregoric ID，Cohn WE.Initial experience with nonthoracic，extraperitoneal，off-pump insertion of the Jarvik 2000 heart in patients with previous median sternotomy [J].J Heart Lung Transplant，2006，25(5)：499-503.

[23]Myers TJ，F(xiàn)razier OH，Mesina HS，et al.Hemodynamics and patient safety during pump-off studies of an axial-flow left ventricular assist device [J].J Heart Lung Transplant，2006，25(4)：379-383.