機(jī)械灌注技術(shù)在移植器官保存中的研究進(jìn)展

蔡明，張大偉，2（.中國(guó)人民解放軍第三〇九醫(yī)院器官移植研究所泌尿外科，北京0093；2.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 00853）

隨著器官移植的出現(xiàn)，器官保存技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生［1-2］。器官保存技術(shù)是器官移植發(fā)展史上的里程碑之一。高質(zhì)量的供體是器官移植的前提，器官保存技術(shù)就是盡可能減少供體器官在獲取、配送及手術(shù)等過(guò)程中的缺血損傷，保證器官活力。20世紀(jì)80年代，機(jī)械灌注（machine perfusion， MP）由于靜態(tài)冷保存 （static cold storage， SCS）的發(fā)展逐漸退出臨床應(yīng)用。目前，盡管移植手術(shù)量逐年攀升，移植器官供需矛盾仍十分突出。在供體短缺的條件下，心臟死亡供者（donation after cardiac death，DCD）和擴(kuò)大 標(biāo) 準(zhǔn) 供 者（expand criteria donor，ECD）等邊緣供體的使用日趨廣泛。這就要求我們對(duì)不是特別理想的供體實(shí)施更好的器官保存和修復(fù)技術(shù)，以減少器官棄用率。常規(guī)的SCS可導(dǎo)致器官低溫?fù)p傷和缺血/再灌注損傷，目前已不能滿足這一要求；而MP理論上更接近正常生理情況，在器官保護(hù)上具有應(yīng)用前景，這對(duì)擴(kuò)大供體池的意義重大。本文就MP在器官移植中應(yīng)用的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 機(jī)械灌注技術(shù)歷史

早在20世紀(jì)50年代，Merrill等［3］成功實(shí)施了世界第一例腎移植手術(shù)之前，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到器官保存的概念。1812年，Le Gallois提出通過(guò)建立體外循環(huán)來(lái)保存離體器官活性的想法，但當(dāng)時(shí)并未建立人工的循環(huán)設(shè)備。此后，不少學(xué)者對(duì)器官灌注設(shè)備進(jìn)行了探索，但多數(shù)都容易受到細(xì)菌感染，器官活力維持時(shí)間很短。1935年，Carrel等［4］成功研制了一款可用于多器官灌注的設(shè)備，這是第一個(gè)可查的關(guān)于常溫有氧脈動(dòng)灌注系統(tǒng)的文獻(xiàn)。1960年，Lapchinsky等［5］利用低溫血液灌注將狗的腎臟保存了超過(guò)24小時(shí)，并移植成功。1968年，Belzer等［6］通過(guò)低溫機(jī)械灌注（hypothermic machine perfusion， HMP） 將人的腎臟保存了 17小時(shí)并成功進(jìn)行了移植手術(shù)，持續(xù)HMP技術(shù)受到了移植醫(yī)學(xué)界的重視。移植醫(yī)學(xué)發(fā)展早期，HMP是器官保護(hù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，灌注液主要是血液［7-8］。1969年，Collins液?jiǎn)柺篮?，移植專家逐漸發(fā)現(xiàn)SCS在器官保存中也能獲得較好的效果［9-10］。20世紀(jì)80年代，是器官保存技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1982年，Opelz等［11］的研究表明，基于Collins液的CS方案移植腎保存后受者的1年生存率為53%，MP方案的受者1年生存率僅為40%。1987年，Belzer等［12］研發(fā)了新一代UW液，加之當(dāng)時(shí)強(qiáng)效免疫抑制劑的應(yīng)用，使得器官移植患者1年生存率顯著提高，SCS逐漸成為臨床器官保存的金標(biāo)準(zhǔn)。而MP由于設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，逐漸淡出臨床應(yīng)用。近年來(lái)，器官移植需求日益增加，為擴(kuò)大供體池，DCD和ECD供體的使用日益頻繁，但帶來(lái)的移植物功能延遲恢復(fù)（delayed graft function， DGF）、移植物原發(fā)性無(wú)功能（primary non-function， PNF）等問(wèn)題也非常突出。ECD與標(biāo)準(zhǔn)供體相比，對(duì)缺血及缺血/再灌注損傷的耐受性差，SCS對(duì)ECD器官的保護(hù)作用明顯不足。MP在器官灌注過(guò)程中由于更貼近器官生理，理論上的保存效果會(huì)優(yōu)于SCS。大量研究結(jié)果表明，與SCS相比，MP能改善一些器官的供體質(zhì)量，顯著降低移植受者DGF和原發(fā)性肝無(wú)功能（primary non-function， PNF）的發(fā)生率［13-14］。借助科技革命的浪潮，機(jī)械灌注設(shè)備和早期相比，也日趨小型化、智能化、簡(jiǎn)便化，MP在器官保護(hù)的應(yīng)用又重獲吸引力。

2 機(jī)械灌注原理

目前，臨床上器官保存仍以SCS為金標(biāo)準(zhǔn)，低溫一方面可降低組織代謝，另一方面保存液成分有助于減輕細(xì)胞水腫。然而，細(xì)胞溫度每下降10℃，只是減少1.5～2.0倍的代謝率，降低能量消耗和代謝產(chǎn)物累積，而并非停止代謝［15］。ATP消耗可以導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)外電解質(zhì)失衡、鈣離子內(nèi)流、磷脂酶激活等，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞水腫［16］。SCS過(guò)程中代謝產(chǎn)物聚積可在再灌注時(shí)產(chǎn)生毒性物質(zhì)，進(jìn)而引發(fā)下游缺血/再灌注損傷相關(guān)通路［17］。此外，SCS還可對(duì)器官造成低溫直接損傷和溫?zé)岬脑俟嘧⒀涸斐傻膹?fù)溫?fù)p傷［18-19］。SCS也無(wú)法對(duì)器官進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，移植時(shí)難以確定器官質(zhì)量。

MP將器官血管連接至MP系統(tǒng)，在器官保存、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中持續(xù)灌注。根據(jù)維持溫度不同，其可以分為低溫（4～6℃）、亞常溫（20～25℃）和常溫機(jī)械灌注（37℃）。與SCS相比，MP至少在理論上可持續(xù)向器官供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并不斷清除細(xì)胞的毒性代謝產(chǎn)物和自由基，從而維護(hù)細(xì)胞活力，以耐受缺血/再灌注、復(fù)溫等帶來(lái)的損傷。MP還能維持脈管系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué)刺激，減少血管痙攣，并實(shí)時(shí)監(jiān)控血管阻力、灌注壓、灌注液生化指標(biāo)等參數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)評(píng)估器官活力。未來(lái)，MP還很有可能通過(guò)藥物、基因治療等干預(yù)措施來(lái)改善器官質(zhì)量［20］。但須注意，MP灌注過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致器官損傷。因此，MP技術(shù)在器官保存中的利弊目前尚不十分清楚，需要更多的病理生理機(jī)制研究。

3 機(jī)械灌注產(chǎn)品

3.1 機(jī)械灌注設(shè)備：目前，在研的MP設(shè)備非常豐富，幾乎涵蓋了所有實(shí)體器官移植，包括有氧/無(wú)氧灌注、低溫/常溫/控溫設(shè)備。面市的MP設(shè)備仍以腎臟低溫?zé)o氧機(jī)械灌注為主，包括美國(guó)Organ Recovery Systems公司的lifeport Kidney Transporter、美國(guó)Waters Medical Systems公司的脈沖式灌注泵RM3系統(tǒng)以及荷蘭Organ Assist公司的Kidney Assist，其中l(wèi)ifeport的應(yīng)用最廣泛。腎臟常溫灌注系統(tǒng)也進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，有報(bào)道稱效果優(yōu)于低溫機(jī)械灌注，但產(chǎn)品尚未面市［21-22］。瑞典XVIVO Perfusion公司的XPSTM-XVIVO perfusion system是一款針對(duì)肺臟進(jìn)行常溫灌注的系統(tǒng)，已于2014年經(jīng)美國(guó)食品藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)上市。此外，肝臟灌注設(shè)備 lifeport liver Transporter、Liver Assist、OrganOx metra（常溫）和心臟灌注設(shè)備LifeCradle@ Heart Perfusion System目前仍在進(jìn)行臨床試驗(yàn)。一些公司還在研發(fā)可多器官共用的機(jī)械灌注平臺(tái)，包括美國(guó)Smart Perfusion公司的VASOWAVETM、美國(guó)TransMedics公司的 Organ Care System 等［23-24］。

表1 常用器官保存液成分及功能

3.2 器官保存液（表 1）：早在 1988年，Belzer等［25］就提出器官保存液應(yīng)具有降低移植物水腫、細(xì)胞內(nèi)酸中毒、氧自由基以及提供能量底物的功效，這對(duì)保存液的研發(fā)意義重大。盡管目前各種保存液成分有所不同，但仍都遵循Belzer的思路。器官保存液可根據(jù)其模擬細(xì)胞內(nèi)或外環(huán)境的情況分為細(xì)胞內(nèi)液型或細(xì)胞外液型，還可根據(jù)其用途分為腎臟、肝臟、心臟等或多器官灌注液。目前，常用的器官保存液包括UW液、HTK液和Celsior液，其中UW液是器官保存液的“金標(biāo)準(zhǔn)”。腎臟灌注包括法國(guó)的SCOT液，日本的Kyoto液和國(guó)產(chǎn)的HCA-Ⅱ液。當(dāng)前，除HCA-Ⅱ液之外，我國(guó)器官保存液主要依賴于進(jìn)口。我國(guó)移植領(lǐng)域的專家應(yīng)深入器官損傷及保護(hù)的病理生理機(jī)制，努力研制優(yōu)質(zhì)的器官保存液，以打破國(guó)外壟斷。

4 低溫機(jī)械灌注

1968年，Belzer等［6］首次利用HMP成功實(shí)施了腎移植手術(shù)。目前，HMP在腎移植領(lǐng)域的應(yīng)用最為成熟，已有不少移植中心在臨床應(yīng)用，相關(guān)研究也較多。多項(xiàng)研究證實(shí)，與SCS相比，HMP可以降低腎移植患者DGF和PNF率，但長(zhǎng)期存活仍然存在爭(zhēng)議［26-28］。2007年，1項(xiàng)前瞻性研究比較了227例HMP和188例SCS的移植腎長(zhǎng)期存活情況后發(fā)現(xiàn)，盡管HMP組的冷缺血時(shí)間較長(zhǎng)，供體血液動(dòng)力學(xué)較差，但5年移植物存活優(yōu)于SCS組；此外，HMP組減少了重新透析患者的數(shù)量［29］。HMP在心臟、肝臟等器官移植的應(yīng)用，也有不少學(xué)者正在積極大膽地探索。已證實(shí)，HMP可顯著減輕膽管周圍微小血管硬化，增加攝氧能力［30-32］。Guarrera 等［33］首次實(shí)施了HMP的肝臟移植臨床試驗(yàn)，隨后該團(tuán)隊(duì)還研究了HMP在肝臟中的保護(hù)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)HMP可以減少促炎因子的表達(dá)，抑制下游黏附分子激活和中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞遷移［34］。Dutkowski等［14］則首次報(bào)道了HMP在DCD肝臟供體中的保護(hù)性作用。最近，Michel等［35］在豬的心臟移植模型中對(duì)SCS和HMP技術(shù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩組移植心臟收縮和舒張功能無(wú)明顯差異，但HMP組的心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)優(yōu)于SCS組，這表明HMP可能減輕心臟移植患者心衰的發(fā)生率，但仍需臨床試驗(yàn)進(jìn)一步支持。

5 常溫機(jī)械灌注（normothermic machine perfusion，NMP）

NMP并非是一項(xiàng)新的器官保存技術(shù)。早在1935年，Carrel等［4］就利用氧和血清對(duì)腹腔器官進(jìn)行了常溫灌注，并維持器官活力數(shù)天。與SCS相比，NMP可避免低溫直接損傷、復(fù)溫傷并減輕缺血/再灌注損傷。早期，NMP在許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中已證實(shí)具有器官保護(hù)作用，近年臨床試驗(yàn)也逐漸開(kāi)展起來(lái)［36-38］。2014 年，Koerner等［39］在一項(xiàng)臨床試驗(yàn)對(duì)比了29例NMP和130例SCS的心臟移植病例發(fā)現(xiàn)，NMP組患者30天、1年、2年生存率分別為96%、89%和89%，優(yōu)于CS組的95%、81%和79%。Hosgood等［40］在豬的腎臟移植模型中發(fā)現(xiàn)，對(duì)經(jīng)23小時(shí)CS保存的供腎給予1小時(shí)的NMP，供腎代謝功能及小管損傷明顯優(yōu)于連續(xù)24小時(shí)CS組；該作者在2016年還利用NMP對(duì)因原位灌注不理想而欲棄用的腎臟進(jìn)行了修復(fù)，最終供腎順利移植，且術(shù)后即發(fā)揮功能，患者未出現(xiàn)任何并發(fā)癥［41］。肝臟移植中，Hoyer等［42］用有氧 NMP 對(duì)CS保存的肝臟進(jìn)行了90分鐘的復(fù)溫，發(fā)現(xiàn)較未處理組，移植后患者的血清轉(zhuǎn)氨酶峰值下降了50%，6個(gè)月的生存率為100%，而未處理組僅有80.9%；這也是首次對(duì)肝臟進(jìn)行NMP復(fù)溫的臨床研究。需要注意的是，由于常溫灌注系統(tǒng)需要溫控、供氧模塊以及足夠電量?jī)?chǔ)備以維持設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，技術(shù)層面要比HMP設(shè)備復(fù)雜的多。因此，NMP用于臨床仍需克服設(shè)備便攜化、使用簡(jiǎn)便化等難題。

6 亞常溫機(jī)械灌注（subnormothermic machine perfusion， SNMP）

目前，SNMP在器官移植中的研究較少，且主要集中在肝臟移植［43-46］。SNMP的優(yōu)勢(shì)在于一方面可避免HMP對(duì)器官的低溫?fù)p傷和灌注后的復(fù)溫?fù)p傷，另一方面又可以避免NMP的復(fù)雜技術(shù)和龐大的設(shè)備體積。2014年，Bruinsma等［47］首次利用SNMP進(jìn)行肝移植臨床試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SNMP可以有效維護(hù)肝臟功能，減少肝臟缺血/再灌注損傷 （ischemia reperfusion injury， IRI）；2015 年，Bruinsma 等［48］在JoVE數(shù)據(jù)庫(kù)中以視頻和文本的方式介紹了SNMP灌注的詳細(xì)過(guò)程。此后，不少學(xué)者利用大鼠、豬等模型探索了SNMP技術(shù)在肝臟移植中應(yīng)用的可能性，并取得了不錯(cuò)的效果［46，49］。2014年，Hoyer等［49］發(fā)表了首篇利用SNMP進(jìn)行腎臟保存的動(dòng)物研究，發(fā)現(xiàn)SNMP組移植腎的血流量和尿量都顯著升高，肌酐清除率較HMP組提高2倍，較SCS組提高10倍。目前，SNMP在心臟、肺臟器官移植中的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

7 器官修復(fù)

研究發(fā)現(xiàn)，組織或細(xì)胞從低溫向生理溫度復(fù)溫時(shí)可出現(xiàn)損傷（復(fù)溫?fù)p傷）。供體器官的組織損傷主要是由于移植后溫?zé)岬难涸俟嘧⒁鸬?，而非CS的低溫直接損傷［18-19］。因此，許多學(xué)者提出了器官修復(fù)概念，即在SCS末期進(jìn)行一段時(shí)間的MP，以恢復(fù)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，提高器官耐受復(fù)溫?fù)p傷和IRI的能力。Gallinat等［13］在1項(xiàng)腎移植臨床試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，HMP修復(fù)組患者PNF和DGF發(fā)生率為0%和11.6%，顯著低于CS的9.3%和20.9%。Nakajima等［37］對(duì)DCD來(lái)源的肺臟進(jìn)行NMP修復(fù)，發(fā)現(xiàn)NMP可以修復(fù)肺臟在熱缺血期間產(chǎn)生的損傷，并可以減輕移植后IRI程度。與持續(xù)機(jī)械灌注相比，“器官修復(fù)”的優(yōu)勢(shì)在于，器官獲取人員可以先采取簡(jiǎn)便的CS技術(shù)，隨后在有條件的移植中心再進(jìn)行MP進(jìn)行器官修復(fù)，這對(duì)MP設(shè)備小型化的要求大大降低。

8 結(jié)論與展望

器官保存技術(shù)發(fā)展到今天，MP技術(shù)又重獲重視。MP的優(yōu)勢(shì)在于其更貼近器官的生理狀態(tài)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌注液生化指標(biāo)、流速、血管阻力等參數(shù)以動(dòng)態(tài)評(píng)估器官質(zhì)量。MP技術(shù)的發(fā)展有可能進(jìn)一步延長(zhǎng)器官保存時(shí)間，這將深刻影響器官分配政策。MP豐富了臨床器官保存技術(shù)的選擇，利用持續(xù)機(jī)械灌注或是利用MP進(jìn)行器官修復(fù)可能在擴(kuò)大供體池中發(fā)揮有益的作用。但應(yīng)注意的是，MP技術(shù)目前仍缺乏高水平的臨床證據(jù)，因此，無(wú)法給予循證醫(yī)學(xué)建議。MP是否能在將來(lái)取代CS進(jìn)行器官保存有待進(jìn)一步研究，目前CS仍是臨床器官保存的金標(biāo)準(zhǔn)。