心肌無(wú)針注射的可行性及規(guī)律

吳 奇 李文章 黃 晶

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院心血管內(nèi)科，重慶 400331)

目前心血管疾病已經(jīng)成為危害人類健康最主要的原因之一，其中心肌梗死患者的死亡率為正常人群的4～6倍〔1〕。研究表明通過(guò)心肌內(nèi)注射干細(xì)胞或基因能促進(jìn)心肌血管再生并改善心臟功能〔2～5〕。然而采用傳統(tǒng)的有針注射方式進(jìn)行心肌藥物投送時(shí)較難實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)針深度的準(zhǔn)確控制，因此存在心包填塞，血栓形成，誘發(fā)心律失常等風(fēng)險(xiǎn)〔6〕，因此有必要摸索一種更為安全有效的心肌注射途徑。無(wú)針噴射技術(shù)是采用機(jī)械或高壓氣體為動(dòng)力源，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換，將液態(tài)藥物經(jīng)噴射孔噴出并滲透到皮下或肌肉發(fā)揮藥效。早在20世紀(jì)40年代無(wú)針注射就開(kāi)始被用于大范圍的免疫接種和胰島素注射〔7，8〕，至21世紀(jì)初已被用于基因注射〔9〕。但由于不完全噴射及噴射過(guò)程中存在液體回濺等情況〔10〕，無(wú)針噴射技術(shù)在臨床應(yīng)用中受到了一定的限制。同時(shí)由于心臟不同于皮膚組織，采用無(wú)針注射進(jìn)行藥物投送仍然存在心肌穿孔的可能。因此本實(shí)驗(yàn)將探討心肌無(wú)針注射的可行性及其規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)安全、有效的心肌無(wú)針注射提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)也為無(wú)針噴射技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于各種內(nèi)臟器官的藥物投送提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備 無(wú)針注射器(美國(guó)Injex公司Injex30無(wú)針注射系統(tǒng))由固定機(jī)身、一次性無(wú)菌安瓿等組成。安瓿噴口直徑為0.172 mm，內(nèi)徑為3.3 mm，最大容量為300μl。當(dāng)觸發(fā)扳機(jī)釋放彈簧壓力(相當(dāng)于205個(gè)大氣壓推動(dòng)安瓿里的藥流)，以推動(dòng)安瓿瓶?jī)?nèi)液體通過(guò)其前端的微噴口進(jìn)行注射。本實(shí)驗(yàn)對(duì)注射器進(jìn)行改裝，通過(guò)對(duì)原安瓿進(jìn)行加工，制作了噴口直徑分別0.30 mm，0.40 mm的安瓿。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料 新鮮離體豬心，以9%生理鹽水灌洗后并用濾紙吸凈心外膜水分備用。

1.3 測(cè)量噴射最大壓強(qiáng) 利用Injex無(wú)針注射系統(tǒng)對(duì)小型壓力傳感器進(jìn)行無(wú)針噴射，通過(guò)多通道生理信號(hào)采集儀(成都儀器廠，RM-6240B/C型多道生物信號(hào)采集與處理系統(tǒng))記錄噴射過(guò)程中得到的波形圖，并測(cè)量最大噴射壓強(qiáng)。在噴射過(guò)程中利用自制的支架使安瓿瓶微噴口與傳感器表面始終保持1 mm的距離〔11〕。根據(jù)液體產(chǎn)生的能量不變的原理，將記錄得到的結(jié)果代入公式(1)，可以得出液體噴射產(chǎn)生的壓力大小，再根據(jù)公式(2)可以得出液體噴射過(guò)程中產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)。其中傳感器所承受的壓強(qiáng)(P傳)可通過(guò)測(cè)量結(jié)果讀出，傳感器表面直徑(d傳)為 1.28 cm，噴口直徑(d噴口)分別為0.172 mm，0.30 mm，0.40 mm。

1.4 噴射效率的評(píng)價(jià) 選擇不同噴射容量及噴射口徑對(duì)離體心肌組織進(jìn)行注射，通過(guò)計(jì)算噴射進(jìn)入離體豬心肌組織的液體質(zhì)量占總的噴射液體質(zhì)量的百分比來(lái)評(píng)價(jià)噴射效率〔12〕。噴射前利用微量天平分別測(cè)量一只未使用過(guò)的安瓿質(zhì)量(M0)，裝有液體的安瓿質(zhì)量(M1)以及一張干凈濾紙的質(zhì)量(m1)。對(duì)離體心肌組織噴射后，用干凈濾紙吸取噴射過(guò)程中回濺在心外膜的液體，再分別測(cè)量噴射后余有液體的安瓿質(zhì)量(M2)及吸收液體后的濾紙質(zhì)量(m2)，將測(cè)量結(jié)果代入到公式(3)，即可得到噴射效率F。

1.5 噴射深度的測(cè)量 選擇不同噴射容量及噴射口徑對(duì)離體心肌組織進(jìn)行無(wú)射注射，利用手術(shù)刀沿噴射孔道垂直切開(kāi)組織，以游標(biāo)卡尺測(cè)量噴射深度〔13〕并記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為便于觀測(cè)，噴射液體均選用藍(lán)色墨水。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS13.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果

以噴射容量及噴口直徑為影響因素，噴射壓強(qiáng)、噴射效率及噴射深度為觀察指標(biāo)的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)選擇噴口直徑為0.4 mm，分別采用容量為0.15 ml及0.2 ml進(jìn)行注射時(shí)，噴射墨水可以穿透心肌全層，故未錄入該參數(shù)下測(cè)得結(jié)果。

除噴射容量對(duì)噴射深度的影響差異具有顯著性外(P＜0.05)，噴口直徑對(duì)噴射深度的影響差異具有極顯著性(P＜0.01)，各因素影響大小為B＞A。隨著噴射容量的增加，噴口直徑的增大，噴射深度會(huì)相應(yīng)的增加。因此，在進(jìn)行心肌無(wú)針注射時(shí)，需要選擇合適的噴射容量與噴口直徑，從而避免發(fā)生心肌穿孔的可能。見(jiàn)表1。

表1 不同參數(shù)無(wú)針注射的噴射壓強(qiáng)、噴射深度、噴射效率

3 討論

盡管臨床上可采用藥物、介入及外科手術(shù)等方法對(duì)心肌梗死患者進(jìn)行治療〔14〕，但壞死的心肌組織不能從根本上得到修復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致患者的心功惡化〔15〕。多項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和初步的臨床研究表明，通過(guò)促進(jìn)血管生長(zhǎng)及干細(xì)胞移植等方法可以改善心臟功能及預(yù)后〔16～18〕。然而通過(guò)何種途徑進(jìn)行藥物投送從而實(shí)現(xiàn)安全有效的心臟血管及心肌細(xì)胞再生成為一個(gè)重要難點(diǎn)。與經(jīng)外周靜脈注射，經(jīng)導(dǎo)管冠脈注射等方法相比，采用心肌內(nèi)注射藥物投送效率最高且在促進(jìn)血管再生，改善心功能方面更為有效〔19，20〕。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)選擇合適參數(shù)，利用無(wú)針噴射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)有效的、深度可探的心肌藥物投送，為改善心臟功能，促進(jìn)心臟血管及心肌再生提供了一種新的安全，有效的途徑。

心臟彈性模量小于皮膚組織的彈性模量，而本實(shí)驗(yàn)中所使用的INJEX無(wú)針注射系統(tǒng)是由美國(guó)INJEX公司開(kāi)發(fā)的用于皮下注射胰島素的設(shè)備，因此在實(shí)驗(yàn)之初我們對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改裝，制作了勢(shì)能相當(dāng)于原廠彈簧50%的彈簧作為推動(dòng)液體噴射的動(dòng)力。心肌在舒張期其彈性模量為10～20 kPa，而在收縮期心肌彈性模量可達(dá)到200～500 kPa〔21〕，因此進(jìn)行無(wú)針注射時(shí)，噴出的液體需要首先克服心肌的彈性模量才能進(jìn)入心肌組織。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)研究中在任意一種參數(shù)組合下，噴射產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)都要高于心肌的彈性模量，因此利用無(wú)針噴射技術(shù)對(duì)心肌組織進(jìn)行注射在理論上是可行的。此外有報(bào)道表明心肌藥物注射單次注射劑量超過(guò)0.2 ml，可對(duì)心肌組織造成一定的損傷〔22〕，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)定單次注射劑量不超過(guò)0.2 ml以盡量減小噴射對(duì)心肌組織可能造成的損傷。

心臟是一個(gè)主動(dòng)收縮的器官，采用傳統(tǒng)的針頭注射方式注射后，藥物會(huì)在心肌收縮力的作用下沿針頭留下的孔道溢出，這也是引起傳統(tǒng)有針注射投送效率較低的原因〔23〕。而采用無(wú)針噴射的方式注射后，液體滲透至肌肉層并呈現(xiàn)出莖葉狀的分布〔24〕，這樣就有利于藥物停留在靶區(qū)發(fā)揮治療作用。本結(jié)果表明，隨著噴口直徑的增加噴射的效率呈逐漸升高的趨勢(shì)，選擇合適的噴口直徑進(jìn)行噴射，其液體投送效率可達(dá)90%。Schramm-Baxter等〔24〕的研究顯示無(wú)針噴射所產(chǎn)生的穿透組織的能量主要受噴射速度的影響，然而隨著噴口直徑增大，噴射的速度會(huì)相應(yīng)的減小，因此理論上噴射直徑越大，液體越難注射入心肌組織。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相反，其原因在于隨著噴口直徑增大，液體噴射進(jìn)入組織所需的能量也會(huì)減小〔25〕，因此投送的效率也隨之提高。

由于心臟是一個(gè)搏動(dòng)器官，采用有針注射方式進(jìn)行藥物投送，難以對(duì)注射深度進(jìn)行有效的控制，并可導(dǎo)致心臟穿孔，心包填塞等風(fēng)險(xiǎn)〔6〕。因此根據(jù)治療需要，進(jìn)行深度可控的心肌注射是實(shí)現(xiàn)安全的藥物投送的基礎(chǔ)。有研究表明，無(wú)針噴射的深度僅與組織的彈性模量及噴射的速度有關(guān)〔24〕，而本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示噴射容量可作為獨(dú)立的因素影響噴射深度，同時(shí)隨著噴射容量的增加噴射深度也會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)于這一特性目前尚無(wú)明確的理論對(duì)其進(jìn)行解釋。此外由前述內(nèi)容可知，隨著噴口直徑增大，液體噴射進(jìn)入組織所需的能量會(huì)減小〔25〕，從而使液體噴射的深度增加。因此在利用無(wú)針噴射技術(shù)對(duì)心肌組織進(jìn)行藥物注射時(shí)，需要根據(jù)治療的需要選擇合適的噴射容量及噴口直徑以實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌安全地進(jìn)行藥物投送。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)表明噴射容量與噴口直徑可作為兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)影響噴射的效果，并為無(wú)針噴射活體心肌組織選擇參數(shù)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。此外，由于本實(shí)驗(yàn)一直采用離體心肌組織作為研究對(duì)象，在探索心肌無(wú)針噴射規(guī)律時(shí)會(huì)存在一定局限性。在今后的實(shí)驗(yàn)研究中，本課題組會(huì)進(jìn)一步探討無(wú)針噴射技術(shù)應(yīng)用于活體心肌注射的可行性及其規(guī)律。

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