大鼠靜脈-動脈體外膜氧合模型研究進(jìn)展

薛平菲，于 潔，黑飛龍

作者單位：266041青島，青島大學(xué)醫(yī)學(xué)部，青島市中心醫(yī)院，麻醉科（薛平菲）；100037北京，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院，國家心血管病中心，阜外心血管病醫(yī)院，心血管疾病國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，體外循環(huán)中心（于 潔，黑飛龍）

體外膜氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）是在心肺轉(zhuǎn)流（cardiopulmonary bypass，CPB）技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種可同時進(jìn)行心肺系統(tǒng)輔助的體外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）技術(shù)［1-5］。 近些年來，因其具有設(shè)備相對輕便、心肺支持治療時間較長的優(yōu)點(diǎn)，以及良好的心肺復(fù)蘇及神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)能力，ECMO在急性肺損傷、心臟移植、難治性心源性休克及心臟驟停等重癥患者中的使用日益廣泛［6-8］。為了促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者建立了包括羊、狗、豬等大型動物的ECMO模型，但存在造價(jià)昂貴、操作復(fù)雜、耗時較長等缺點(diǎn)［9-13］。大鼠因來源豐富、價(jià)格低廉、操作相對簡單及心血管系統(tǒng)與人類相似等特點(diǎn)，常用于研究心血管疾病的病因及病理生理機(jī)制，是適合用于制作ECMO實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男游铮?4-17］。因此，關(guān)于大鼠ECMO模型的研究逐漸增加，現(xiàn)將大鼠ECMO模型的研究現(xiàn)況和進(jìn)展做一綜述。

1 ECMO模型概述

1.1 ECMO模型的起源 ECMO的運(yùn)行機(jī)制是通過使用改進(jìn)的心肺旁路來為危重患者提供呼吸及循環(huán)支持，故ECMO模型也是在傳統(tǒng)CPB模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步發(fā)展形成的。1954年，Gibbon首次提出CPB模型并應(yīng)用于動物實(shí)驗(yàn)［18］。隨后，Trigganni等建立了一個大鼠心肺移植手術(shù)的CPB模型，該模型的應(yīng)用將CPB的灌注時長延長至2 h，且降低了早期模型因使用大容量氧合器造成的肺水腫及灌注時間短等問題的發(fā)生率［17］。隨著CPB技術(shù)的蓬勃發(fā)展，有學(xué)者開始嘗試建立相對簡便的大鼠CPB模型。1978年，Proctor等設(shè)計(jì)了一種使用小型心肺機(jī)對大鼠進(jìn)行部分循環(huán)支持的新型循環(huán)模型，開啟了大鼠ECMO模型研究的新紀(jì)元［19］。

1.2 ECMO模型的分類 根據(jù)血液引流及灌注的途徑不同，ECMO一般分為兩種類型，即從靜脈引出并由動脈灌注回大鼠體內(nèi)的靜脈-動脈（veno-arterial，V-A）ECMO模式及從靜脈引出并由靜脈灌注回大鼠體內(nèi)的靜脈-靜脈（veno-venous，V-V）ECMO模式。其中，V-A ECMO對呼吸及循環(huán)系統(tǒng)同步輔助支持，而V-V ECMO僅對呼吸系統(tǒng)進(jìn)行輔助支持。

2 ECMO模型的建立

2.1 動靜脈置管的常用位置 在建立大鼠V-A ECMO循環(huán)模型時，靜脈插管的途徑有：頸靜脈、股靜脈及其他。動脈插管的途徑有：股動脈、尾動脈、頸動脈及其他。

2.2 預(yù)充方式的分類 根據(jù)ECMO循環(huán)通路中預(yù)充液體的不同將預(yù)充方式分為兩種類型，即使用新鮮大鼠全血的全血預(yù)充方式及單純使用膠體或晶體的無血預(yù)充方式。循環(huán)中預(yù)充液體總體積較大時，為避免預(yù)充液體過度稀釋大鼠血液，造成大鼠血流動力學(xué)不穩(wěn)定，常選用全血預(yù)充方式。循環(huán)中預(yù)充液體總體積較小時，可選用膠體或晶體進(jìn)行無血預(yù)充。

2.3 ECMO循環(huán)通路的組成 在大鼠ECMO循環(huán)模型中，常見的循環(huán)通路由滾動泵或蠕動泵、小動物專用膜肺、熱交換器及膜肺配套管路等組成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，研究者可對循環(huán)通路的設(shè)備及管路進(jìn)行調(diào)整。

2.4 溫度控制的常用方法 根據(jù)ECMO模型溫度控制部位的不同，控溫方法可分為三種類型，分別是對循環(huán)通路內(nèi)液體溫度、大鼠本身體溫及操作室內(nèi)溫度進(jìn)行控制。對循環(huán)通路控溫的方法，即在循環(huán)通路中增加變溫器及循環(huán)水箱等設(shè)備，以達(dá)到控制大鼠回輸液體溫度的目的；對大鼠本身控溫的方法，即使用加熱燈照射大鼠體表、手術(shù)操作臺上放置可控溫加熱毯等設(shè)備，以達(dá)到控制大鼠自身溫度穩(wěn)定的目的；對操作室控溫的方法，即調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)溫度及使用對流空氣加熱系統(tǒng)等，以達(dá)到調(diào)整室內(nèi)溫度至目標(biāo)溫度的目的。

2.5 ECMO模型常用監(jiān)測 根據(jù)大鼠ECMO模型實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰?，常用監(jiān)測一般分為兩個部分，即對大鼠血流動力學(xué)的監(jiān)測及對大鼠機(jī)體狀態(tài)的監(jiān)測。大鼠血流動力學(xué)監(jiān)測指標(biāo)有：血壓、心率、心電圖及其他。大鼠機(jī)體狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)有：肛溫或食管溫度、呼吸頻率、呼氣末二氧化碳濃度、血?dú)夥治黾捌渌?。目前常選用股動脈或尾動脈對大鼠進(jìn)行有創(chuàng)血壓監(jiān)測。

2.6 建模過程中的主要問題 ECMO模型中復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)程序及對實(shí)驗(yàn)者顯微外科技術(shù)的要求是該模型的主要限制因素，動靜脈置管的設(shè)計(jì)及操作是模型建立的重點(diǎn)和難點(diǎn)，靜脈引流量不足或因操作導(dǎo)致大鼠失血量過多是建模失敗的常見原因。為了解決靜脈引流量不足的問題，Rungatscher等［20］提出在循環(huán)通路中使用負(fù)壓調(diào)節(jié)器，以產(chǎn)生巨大負(fù)壓增加靜脈引流的方法；曾慶東等［21］提出修改靜脈套管的形狀或置管位置改善引流的方法。為了避免大鼠失血量過多的問題，秦科等［22］使用顯微外科技術(shù)進(jìn)行大鼠動靜脈置管，具有手術(shù)切口小、建模操作難度降低等突出優(yōu)勢；Xie等［23］提出通過維持深麻醉、血管插管端使用小劑量肌松藥提高置管成功率及置管退針芯后再松血管夾等方法；Warenits等［24］研究出一種尖端具有抗侵入特性的專用插管，并于置管后在管路上利用封閉椎體連接遠(yuǎn)近兩端，以解決靜脈置管過程中因操作不當(dāng)或動作粗暴造成的大鼠外周靜脈或下腔靜脈組織受損，可有效降低插入及移除靜脈插管期間失血及空氣栓塞的發(fā)生率。這些方法成功提高了實(shí)驗(yàn)建模的成功率。

3 ECMO模型的應(yīng)用

3.1 研究ECMO治療急性肺損傷 張炳東等［25］報(bào)道了ECMO對內(nèi)毒素誘導(dǎo)下大鼠急性肺損傷的早期治療效果。研究者建立全血預(yù)充的右頸外靜脈-右股動脈V-A ECMO通路，大鼠全身肝素化后在維持平均動脈壓90 mm Hg的條件下對呼吸系統(tǒng)進(jìn)行輔助支持。術(shù)后處死大鼠并取肺組織進(jìn)行病理染色，觀察及測定，證實(shí)ECMO早期治療可有效改善肺組織缺氧狀態(tài)，有利于肺功能的恢復(fù)，有效減輕肺水腫及肺組織細(xì)胞凋亡，是急性肺損傷的有效療法。

3.2 研究 ECMO治療終末期肺疾病 Dorrello等［26］報(bào)道了大鼠在ECMO輔助下構(gòu)建功能性肺，治療終末期肺疾病的新方法。研究者建立V-A ECMO通路，對大鼠提供呼吸及循環(huán)支持，經(jīng)氣道輸注脫細(xì)胞溶液進(jìn)行肺洗脫后，保留肺細(xì)胞外基質(zhì)并維持肺組織血流灌注，隨后，使大鼠自身干細(xì)胞附著生長，構(gòu)建功能性肺以治療終末期肺疾病。

3.3 研究ECMO治療難治性心源性休克 Peterss等［27］報(bào)道了在ECMO輔助下治療大鼠急性心肌梗死的方法。研究者將大鼠心臟前降支動脈結(jié)扎以誘導(dǎo)心肌缺血，大鼠心肌缺氧缺血30 min后行再灌注治療。在再灌注前5 min，ECMO組建立羥乙基淀粉預(yù)充的左頸靜脈-尾動脈V-A ECMO通路，ECMO輔助支持下再灌注治療后，移除ECMO通路并觀察。根據(jù)大鼠的血流動力學(xué)表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)治療相比，ECMO輔助治療有助于改善左心室射血分?jǐn)?shù)，為治療急性心肌梗死提供了新方向。

3.4 研究 ECMO 治療心臟驟停 Magnet等［8］報(bào)道了使用ECMO伴亞低溫干預(yù)，進(jìn)行ECLS治療大鼠心臟驟停的方法。研究者使用電擊法致大鼠室顫性心臟驟停，停循環(huán)10 min后開始搶救，ECMO組建立晶體預(yù)充的右頸靜脈-右股動脈V-A ECMO通路輔助支持呼吸及循環(huán)系統(tǒng)，CPR組進(jìn)行傳統(tǒng)心肺復(fù)蘇搶救，自主循環(huán)恢復(fù)30 min后停止ECMO循環(huán)，隨后對ECMO組大鼠進(jìn)行12 h亞低溫治療，觀察大鼠的14日存活情況。根據(jù)兩組大鼠術(shù)后存活情況，可發(fā)現(xiàn)ECMO伴亞低溫可實(shí)現(xiàn)100%復(fù)蘇率及較高的長期存活率，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)心肺復(fù)蘇。

4 展望

ECMO現(xiàn)常用于各種心肺功能衰竭、心臟驟停后心肺復(fù)蘇及慢性疾病或器官移植等需要長期生命支持的疾病。開發(fā)綜合支持系統(tǒng)、克服抗凝治療需求、完善長期植入式或體外肺部支持系統(tǒng)、以及防治ECMO相關(guān)并發(fā)癥等問題是未來亟待研究的重點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)動物ECMO模型的建立有助于ECMO技術(shù)的深入研究及推廣。

因該模型建模難度較大，研究成員需要經(jīng)驗(yàn)豐富的研究者的指導(dǎo)，足夠時長的練習(xí)并保持此類實(shí)驗(yàn)的常規(guī)化才能提高建模的成功率。在實(shí)際建模時，研究者應(yīng)根據(jù)不同的研究目的對模型進(jìn)行調(diào)整和改良。相信隨著科學(xué)技術(shù)和材料的不斷發(fā)展及對ECMO模型的深化研究，研究者可以進(jìn)一步改良循環(huán)通路中的各個環(huán)節(jié)，發(fā)掘更好的通路途徑，使大鼠ECMO建模操作過程不斷簡化并更貼近臨床實(shí)際，進(jìn)一步促進(jìn)ECMO技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為危重患者帶來希望及福音。