大鼠體外循環(huán)模型建立的研究進(jìn)展

徐 寧（綜述），李曉紅（審校）

·綜 述·

大鼠體外循環(huán)模型建立的研究進(jìn)展

徐 寧（綜述），李曉紅（審校）

大鼠；模型；體外循環(huán)；

體外循環(huán)（cardiopulmonary bypass，CPB）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床心血管手術(shù)和非心血管手術(shù)。隨著CPB不斷的發(fā)展和完善，心臟及大血管手術(shù)得以更好的開展。但是CPB的應(yīng)用還有許多需要改進(jìn)的地方，圍CPB期有關(guān)病理生理及血流動力學(xué)改變等還有很多不明確因素［1-5］。國內(nèi)外已經(jīng)建立了多種CPB的動物模型，大型動物CPB模型如：豬、狗、羊甚至兔等研究較多［6-12］，這些動物模型建立價格昂貴，操作繁瑣，而大鼠CPB模型具有經(jīng)濟(jì)、簡便等優(yōu)點(diǎn)。理想的大鼠CPB模型還有很多優(yōu)點(diǎn)，并且大鼠來源廣泛、價格低廉、品系純正、基因與人同源程度高、個體差異小、檢測評價范圍廣、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，是一種可重復(fù)模型，近年來受到科研人員的重視［13-17］。

1 發(fā)展史

CPB由Gibbon于上世紀(jì)四十年代首次提出并實(shí)施了動物實(shí)驗(yàn)，隨后逐漸應(yīng)用于心臟外科手術(shù)［18］。1966年P(guān)opovic等［19］對55只大鼠在CPB下的實(shí)驗(yàn)做了最初的報道［20］，1968年，他們又對75只大鼠做了一個更廣泛的描述［21］。他們在常溫和低溫閉合胸腔下CPB，通過對130例動物實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：要想保持CPB的流量，只有當(dāng)引流管置于右心室才能獲得充分的靜脈引流［21］。常溫下灌注心輸出量的80%，低溫下灌注心臟正常輸出量的40%～50%，通過改變泵的輸出保持平衡灌注。Subramanian等［22］開發(fā)出一種老鼠模型來評估CPB的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)，特別是對肝臟的影響。通過CPB進(jìn)行肝臟灌注，他們用全流量轉(zhuǎn)流，通過中央靜脈引流和周圍動脈如髂總動脈灌注，他們是第一個描述采用中央靜脈引流的。氧合器則采用特制的類似網(wǎng)狀的金屬套管連接右心房，預(yù)充量為120 ml，包括供者血液和乳酸林格氏液，另加入一定的碳酸氫鈉以糾正代謝性酸中毒。經(jīng)過氧合的動脈血通過髂總動脈返回體內(nèi)，保持全身動脈血壓在100 mm Hg。該實(shí)驗(yàn)因流量達(dá)到500 ml/（kg·min）大大超過了鼠的正常心排血量而受到質(zhì)疑。1970年Triggiani等［23］報道了一個完全CPB模型。該模型的開發(fā)與實(shí)施的目標(biāo)是心臟和心肺移植，它被描述為“total”轉(zhuǎn)流模式，由于流量是15～20 ml/min，明顯多于正常大鼠心臟輸出，可能會受到質(zhì)疑。建立中央靜脈引流及外周動脈灌注，組成的循環(huán)包括滾筒泵、玻璃鼓泡式氧合器、過濾器及一些消泡物質(zhì)。他們設(shè)計了“三叉戟狀”心房套管：三個分支分別引流大鼠的三支主要靜脈：大鼠的左、右上腔和下腔靜脈，并阻斷三個腔靜脈，實(shí)現(xiàn)了右心房無血操作，但沒有明確的說明靜脈插管的方式。Triggiani等提出了阻斷三個腔靜脈、肺動脈，以確保所有的循環(huán)血液繞過心臟。他們假定的最優(yōu)中位數(shù)只有15～20 ml/min的流量。實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是：低溫停跳在大鼠模型中是行不通的。1977年，Proctor等［24-25］簡要介紹了大鼠CPB模型，說明“外科手術(shù)、生理和經(jīng)濟(jì)原因”，需要有一系列大量工作與一個更加標(biāo)準(zhǔn)化的模式，給出了相當(dāng)詳細(xì)的設(shè)計氧合方案。與眾不同的是CPB使用膠體（蔗糖共聚物環(huán)氧氯丙烷）和電解質(zhì)的解決方案，氧合器的體積為20～30 ml。該實(shí)驗(yàn)有50只動物存活，但缺乏如何存活、生存時間的信息。Alexander等［26］描述了一個長時間的微型循環(huán)（6 h）模型，采用右心房插管引流和股動脈或左側(cè)頸內(nèi)動脈灌注的部分轉(zhuǎn)流模式，總的預(yù)充量是12 ml，氧合器只有4.4 ml。實(shí)驗(yàn)還報告了血紅蛋白、紅細(xì)胞比容、紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板在CPB期間的演變，其pH值范圍7.15～7.45。Wehberg等［27］設(shè)計了新的CPB模式，可以用來評估一氧化氮在CPB中積聚的影響，但是有關(guān)氧合細(xì)節(jié)很少描述。這是一個非常大的外部容積（30 ml）非存活模型，需要使用捐贈者的血液，歷時3 h，能產(chǎn)生一個滿意的靜脈引流。動脈插管通過左心室心尖部和主動脈瓣送入主動脈根部，用這種方式模仿臨床主動脈根部的插管。Sasaki等［28］在1996年報道了一個部分CPB模型：頸內(nèi)靜脈引流和股動脈灌注。預(yù)充液是捐贈者的新鮮靜脈血液、乳酸林格氏液、甘露醇和碳酸氫鈉共23 ml。用一個表面積為0.05 m2氧合器，并提供2 h的充分的氧合；采用一個虹吸水平非常高（30 cm）的外周靜脈血引流以加大靜脈回流，其呼吸機(jī)可以實(shí)現(xiàn)混合氣體呼吸支持。

2 研究現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來，大鼠CPB模型的研究有了新的發(fā)展。

2001年Grocott和Mackensen等［29-30］利用大鼠模型研究CPB對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。他們采用超聲探頭經(jīng)食管定位，經(jīng)頸內(nèi)靜脈置入多孔雙極管，到達(dá)右心房近下腔靜脈口處實(shí)施靜脈引流，并用真空輔助裝置，使貯血槽中保持10～40 mm Hg負(fù)壓以改善引流效果。全血預(yù)充40 ml，另加6%羥乙基淀粉3～5 ml。尾動脈灌注，并實(shí)時流量計監(jiān)測，保持在160～180 ml/（kg·min），接近于正常大鼠的心輸出量，轉(zhuǎn)流時間60 min。術(shù)后絕大多數(shù)動物生存1 w以上。Gourlay等［31］建立的模型被認(rèn)為最近似于臨床，該模型采用胸部和上腹部正中切口，打開心包和胸膜，充分游離并臨時用血管夾阻斷上、下腔靜脈，置心房引流管；經(jīng)左室心尖部通過心室和主動脈瓣至升主動脈置動脈灌注管。預(yù)充液包括復(fù)方林格液6 ml，賀斯5 ml，NaHCO30.5 ml。其初始轉(zhuǎn)流量為90 ml/（kg·min），以后逐漸增加，平均動脈壓維持在50 mm Hg左右，體溫維持在37.5℃，轉(zhuǎn)流持續(xù)時間60 min，但CPB后不能長時間存活。

近幾年，大鼠CPB模型相繼報道，其主要特色在于全流量、預(yù)充量小甚至無血預(yù)充、低溫或常溫心臟停搏和長期生存。2004年Dong等［32］報道了常溫下全流量的大鼠CPB長期存活模型，大鼠氣管插管，機(jī)械通氣，靜脈引流管采用內(nèi)徑為4 mm的穿刺管置入右心房連接的管道引流靜脈血，頸動脈灌注管道1.6 mm內(nèi)徑流量可達(dá)到100～150 ml/（kg· min）。轉(zhuǎn)機(jī)過程保持平均動脈血壓為60～80 mm Hg，大鼠的心率保持在210～280次/min。使用了特殊設(shè)計的專用動物膜肺，交換面積為0.05 m2，預(yù)充量只有4 ml，血?dú)夥治龅慕Y(jié)果顯示它完全可以滿足60 min的灌流需氧量。這個模型的總預(yù)充量為16 ml（新鮮同種異體血液和膠體液各半），恰好為成年大鼠全身血量的一半，這和臨床上的CPB較為相似。部分學(xué)者認(rèn)為創(chuàng)傷最小化、保持胸廓結(jié)構(gòu)完整是大鼠CPB后能夠長期存活的重要條件［33］。de Lange等［34］通過右頸總動脈置入帶球囊導(dǎo)管達(dá)主動脈進(jìn)行阻斷主動脈和冷灌心臟停搏液，導(dǎo)管置入后需超聲定位，壓力泵注氣充氣囊，所需設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用高、操作難度大，且存在潛在風(fēng)險，如導(dǎo)管置入離主動脈瓣太近，氣囊充氣后可損傷主動脈瓣或左心室；如果導(dǎo)管置入離主動脈瓣太遠(yuǎn)，則可造成頭臂干內(nèi)膜撕裂，很難廣泛推廣應(yīng)用。

Kim等［35］的研究使用心臟停搏液灌注系統(tǒng)作為熱交換器對大鼠CPB進(jìn)行溫度控制。停搏液灌注系統(tǒng)、水箱、膜式氧合器、滾柱泵組成循環(huán)系統(tǒng)以維持直腸低溫。這種模式為進(jìn)一步利用低溫CPB實(shí)驗(yàn)大鼠提供了依據(jù)。Qing等［36］在2011年研究了在血壓對CPB下大鼠腦空氣栓塞影響的模型。2011年Leme［37］等開發(fā)和評估了離心泵CPB的一個新模式。模擬閉式循環(huán)系統(tǒng)組裝，聚乙烯管、氧合器、數(shù)字流量計、壓力顯示器、電子驅(qū)動器和可調(diào)節(jié)的流量控制組成。Liu等［38］研究了大鼠肺動脈高壓CPB模型的建立，目的是了解相關(guān)的機(jī)制和制定保護(hù)策略。Lebreton等［39］于2012年描述了在大鼠CPB下的股-股CPB，其優(yōu)點(diǎn)是低流量和良好的圍手術(shù)期生存率。這就能夠很好的評價CPB的作用。Han等［40］研究與不同溫度下的窒息心臟驟停后的緊急CPB復(fù)蘇的嚙齒動物模型，監(jiān)測大鼠CPB期間產(chǎn)生的氣體微栓子和血流動力學(xué)性質(zhì)的變化并給以優(yōu)化，使用的是結(jié)合動脈過濾器一體化的膜式氧合器，可以減少預(yù)充量和消除循環(huán)中的一個單獨(dú)的動脈過濾器。代謝控制與CPB相結(jié)合，提高了短期到長期心臟驟停的復(fù)蘇成功率［41］。心臟驟停及其后期的代謝影響極大，快速體外循環(huán)（ECPB）可立即提供糾正復(fù)蘇和再灌注過程代謝紊亂的血管通路。這表明ECPB的嚙齒動物模型比傳統(tǒng)心肺復(fù)蘇術(shù)更有優(yōu)勢，尤其是與低溫相結(jié)合。在這項(xiàng)研究中，針對缺血再灌注損傷的新陳代謝戰(zhàn)略（MS-IR），他們觀察到低溫下ECPB與常溫下相比有相當(dāng)大的短期利益，ECPB復(fù)蘇方法在未來長期和短期的生存研究是有必要優(yōu)化的。在大鼠CPB模型吸入一氧化碳可以減輕心肌的炎性細(xì)胞因子的表達(dá)［42］。評估低劑量吸入一氧化碳對CPB大鼠全身、肺和心肌的炎癥反應(yīng)的影響。在250 ppm的CO預(yù)處理對CPB炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，不影響血流動力學(xué)或氧輸送，進(jìn)一步調(diào)查CPB生存模型是必要的。有學(xué)者對抑肽酶在CPB中的作用有所研究［43］，在CPB期間發(fā)生中風(fēng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，抑肽酶減少CPB全身炎癥反應(yīng)。雖然沒有在腦梗死體積的差異，在短期抑肽酶組的神經(jīng)功能的結(jié)果，有一個小的改進(jìn)。龍翔等［44］曾對大鼠模型有所構(gòu)想：大鼠CPB模型創(chuàng)傷性小、容易存活、心臟停搏時間和體外循環(huán)時間的可控性，似乎接近理想狀態(tài)，但是臨床上的正中開胸、心臟直接插管等常規(guī)步驟沒有實(shí)施。

3 研究展望

理想的大鼠CPB模型應(yīng)該是操作簡便、無血預(yù)充、主動脈順行灌注、全流量、可控性強(qiáng)和存活時間長，應(yīng)該是一個盡可能接近于現(xiàn)代臨床的實(shí)驗(yàn)裝置。它需要具備以下幾方面的能力：常溫或低溫下的全流量循環(huán)支持［＞150～180 ml/（kg·min）］；能進(jìn)行充分有效的熱交換，實(shí)現(xiàn)中心降溫和復(fù)溫；連續(xù)轉(zhuǎn)流1～2 h甚至更長時間，并保持適度的血液稀釋和較少的血細(xì)胞破壞；預(yù)充量不超過成年大鼠的自體血量；實(shí)驗(yàn)動物可以獲得穩(wěn)定的長時間存活。在實(shí)際工作中，可根據(jù)研究目的采用不同的大鼠模型，如探討體外管道長度及面積造成的影響時，可以采用部分CPB模型，僅改變管道長度或管徑就可以保持灌注流量及其他條件一致；而研究術(shù)后一定時期內(nèi)的機(jī)體病理生理反應(yīng)，則必須以動物長時間存活為主要條件，因此，對動物模型的設(shè)計要求越來越合理。隨著醫(yī)學(xué)科技的發(fā)展，可以進(jìn)一步改進(jìn)循環(huán)通路各元件；進(jìn)一步改良設(shè)計各插管途徑甚至開胸路徑；根據(jù)自己科研的需要設(shè)計出簡單、合理、實(shí)用的、理想的大鼠CPB模型。

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第七屆《北京五洲心血管病研討會》會議通知

由首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院主辦的第七屆《北京五洲心血管病研討會》將于2013年4月19～21日在北京國際會議中心舉行。會議將設(shè)心臟內(nèi)科、心臟外科、心臟麻醉、體外循環(huán)與影像分會場。

本次會議開設(shè)ECMO專場暨《第一屆五洲ECMO學(xué)術(shù)研討會》，邀請了美國、德國、瑞典、意大利及國內(nèi)專家對近年來ECMO在ARDS、心源性休克、急救、研發(fā)等領(lǐng)域取得的進(jìn)展、存在的問題及未來的發(fā)展方向進(jìn)行討論。歡迎參加！

聯(lián)系人：邢家林 電話：010-64456328 13366050035

R654.1

A

1672-1403（2013）01-0057-04

2012-04-19）

2012-05-08）

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ2010B411）

233000安徽，蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院麻醉科［徐寧（在讀研究生）］