房間隔造口術(shù)聯(lián)合體外膜肺治療急性呼吸窘迫綜合征合并左心功能不全的大動物實驗研究

刁力為 李溫斌 師啟眾 張保全 樊宏哲 劉 誡 李陽陽 楊英杰 吳本清吳一彬

2019 新型冠狀病毒(novel coronavirus，2019-nCoV)引起的新型冠狀病毒肺炎(2019 novel coronavirus，COVID-19)在短短幾個月內(nèi)肆虐全球，輕型及普通型患者可以通過對癥治療自愈，重癥及危重癥患者需要呼吸機甚至體外肺膜(extracorporeal membrane oxygenation，ECMO)支持，但重癥患者死亡率仍高達61.5%[1]，死亡的主要原因是急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)基礎(chǔ)上合并肺部感染和循環(huán)衰竭。 因此，提高ARDS的搶救成功率是降低COVID-19 患者以及各種非心源性原因引起的ARDS 患者病死率的關(guān)鍵。 VAECMO 是搶救左心功能衰竭患者的有效手段之一，但是ARDS 合并左心功能衰竭患者同時合并嚴重的低氧血癥，常規(guī)VA-ECMO 無法緩解上半身尤其冠狀動脈乏氧的問題，VAV-ECMO 又難以控制各個管路的流量，同時左心減壓的問題也得不到很好的解決，是VA-ECMO 治療ARDS 合并循環(huán)衰竭患者的主要死亡原因[2]。 房間隔造口術(shù)通過在房間隔卵圓孔位置人造一個房間隔缺損，形成了一個左心到右心的通道，相當于心臟術(shù)后常規(guī)應(yīng)用的左心引流，是促進心臟復(fù)跳、改善左心功能的有效手段，也有用于VA-ECMO 支持等待心臟移植患者的成功報道[3]，然而尚未見到這種方法治療ARDS 合并左心衰竭患者的臨床或者實驗研究。 我們分析房間隔造口加VA-ECMO 能夠通過左向右分流，達到:①減壓左心(左心引流的另外一種形式，避免了開胸左心引流導(dǎo)致的出血、感染等并發(fā)癥)，使其充分得到休息；②改善肺循環(huán)、減輕肺水腫，增加氧供尤其冠狀動脈及腦部的氧供；③實時、動態(tài)調(diào)節(jié)左、右心房壓力，平衡體肺循環(huán)血流量，從而提高ARDS 合并左心衰竭甚至全心衰竭患者的搶救成功率，因此設(shè)計本研究，用于檢驗VA-ECMO 加房間隔造口術(shù)對ARDS合并左心功能不全患者的療效。

材料與方法

1.實驗動物 通過中國科學(xué)院大學(xué)深圳醫(yī)院動物倫理委員會審查后，取健康成年綿羊5 只，為大動物實驗動物，雄性，體質(zhì)量(55±3.2)kg。 在領(lǐng)先動物實驗中心(深圳)完成實驗，該中心具有大動物實驗資質(zhì)。

2.實驗方法 (1)建立急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)動物模型:應(yīng)用脂多糖(lipopolysacchatide，LPS)靜脈泵入全麻插管狀態(tài)下的綿羊，制作急性肺損傷(acute lung injury，ALI)性急性肺水腫或ARDS 模型。 該方法制作的肺損傷動物模型已得到國際公認[4]。 LPS 用量為3 μg/kg，1 h 左右即可產(chǎn)生嚴重的肺損傷，3 h 達到ARDS 標準:PaO2/FiO2＜300。 LPS 制作的綿羊ARDS 模型非常穩(wěn)定，是研究重癥感染導(dǎo)致的ARDS最理想的動物模型。 由于無法應(yīng)用2019-nCoV 建立動物模型，因此該模型是最接近2019-nCoV 感染導(dǎo)致的ARDS 的大動物模型。

(2)左心功能不全動物模型的建立:在ARDS模型建立后，在明顯的低氧血癥狀態(tài)下，右側(cè)開胸，經(jīng)上下腔靜脈和升主動脈插管建立體循環(huán)，經(jīng)右上肺靜脈置入左心房測壓管，體外循環(huán)開始前，誘導(dǎo)心室顫動，依賴低氧血癥造成心肌損傷!

(3)ASD 的制作方法:心室顫動20 min 后開始體外循環(huán)，切開右心房，在房間隔卵圓窩處切除部分膜狀間隔組織，大小約1.5CM，在新建的ASD 邊緣上應(yīng)用2/0 滑線褥式縫合一針，用于開閉ASD 使用，以便對比分析房間隔開放前后各項指標的變化，判斷ASD 在應(yīng)用體外循環(huán)模擬VA-ECMO 的情況下對機體心肺循環(huán)的影響。 之后，縫合右心房切口，完成手術(shù)。

(4)觀察指標:①動物血液動力學(xué)一般指標；②動脈血氣指標及混合靜脈血氣指標；③漂浮導(dǎo)管和PICCO 監(jiān)測體肺循環(huán)血流動力學(xué)指標和肺水變化情況；④食道和心外膜UCG

3.統(tǒng)計學(xué)方法 選用SPSS 19 軟件處理數(shù)據(jù)。計量資料采用均數(shù)±標準差表示，采用t 檢驗。 計數(shù)資料以頻數(shù)(率)表示。 以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

在體外循環(huán)開始前，實驗動物羊在呼吸機100%氧濃度模式下，外周動脈血氣顯示PaO2:(198.3±37.2)mmHg(1 mmHg ＝0.133 kPa)，SaO2:(93.1±1.3)%，PaO2/FiO2:(198.3±37.2)，HR:(87±17)次/min，MAP:(61.5±13.2)mmHg。 體外循下完成的房間隔造口(ASD)直徑為(術(shù)中測量):(11.3±2.2)mm； ASD 手術(shù)完成后，心臟除顫復(fù)跳，在關(guān)閉ASD 情況下并行循環(huán)30 min，見心臟跳動無力，處于蠕動狀態(tài)，說明心肌嚴重受損，難以停機，血流動力學(xué)參數(shù)、血氣指標等均顯示ARDS 及左心功能不全動物模型建立成功。 開始繼續(xù)體外循環(huán)輔助模擬VA-ECMO，上下腔的血液經(jīng)重力引流到人工膜肺氧合后被ECMO 經(jīng)頭臂干的動脈插管射入頭臂干動脈，經(jīng)此動脈進入主動脈弓部，如此可以模擬VA-ECMO。 30 min 后心臟仍收縮乏力，不能停用體外循環(huán)，之后打開ASD，繼續(xù)模擬VA-ECMO 支持心臟工作，15 min 后心肌收縮增強、循環(huán)穩(wěn)定，心臟功能明顯改善，順利停機。 之后保留上下腔靜脈管和頭臂干動脈插管，繼續(xù)模似VA-ECMO 工作，在各項實驗條件不變的情況下，僅開放和關(guān)閉ASD 對比觀察房水平分流方向及血液動力學(xué)指標(體外循環(huán)及ECMO 過程中由于PICCO 數(shù)值受到影響因此不再采集PICCO 的相關(guān)參數(shù))，以及血氣檢查，結(jié)果如下:應(yīng)用食道和心外膜UCG 的全程監(jiān)測，在閉合ASD 的情況下，未見房水平分流(圖1)，僅應(yīng)用VAECMO 輔助下可見動物在吸入40%氧的情況下，HR:(108±17)次/min，MAP:(49.3±13.5)mmHg，PAP:(28.9±12.7)mmHg，PVRI:(45.2±9.2)N·S·M-2·L-1，CO:(2.4±1.4)，外周動脈PaO2為(141.2±21.4)mmHg，SaO2:(96.1±1.3)%，PaO2/FiO2:(353.0±53.5)，心臟飽脹，運動幅度較小，顯得無力；在其他實驗條件不變的情況下，僅打開ASD 后房水平出現(xiàn)左向右分流，MAP:(68.2±16.1)mmHg，PAP:(18.1±7.8)mmHg，PVRI:(33.4±7.2)N·S·M-2·L-1，CO:(3.1±1.3)L/min，外周動脈PaO2明顯上升至(169.3±18.9)mmHg，SaO2:(98.2±1.1)%，，PaO2/FiO2:(423.3±47.3)，HR:(98±18)次/分，心臟運動幅度明顯加大，心臟跳動顯得輕松，體循環(huán)狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)。 與ASD 關(guān)閉時比較，在ASD開放后MAP， PaO2， SaO2， PaO2/FiO2明顯上升；PAP，PVRI 明顯下降，二者間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01)。 CO 變化不大(P＞0.05)。 其他更多指標的變化詳見表1～3。

表1 ASD 開及閉前后血流動力學(xué)一般參數(shù)變化

表1 ASD 開及閉前后血流動力學(xué)一般參數(shù)變化

項目 ASD 開放 ASD 閉合 P 值HR/(次/min) 98±18 108±17 0.129 0 MAP/mmHg 68.2±16.1 49.3±13.5 0.001 6 PAP/mmHg 18.1±7.8 28.9±12.7 0.009 0 LAP/mmHg 11.4±2.1 13.6±3.3 0.038 0 RAP/mmHg 10.2±3.6 12.5±3.3 0.078 8

表2 ASD 開及閉前后血流動力學(xué)參數(shù)變化

表2 ASD 開及閉前后血流動力學(xué)參數(shù)變化

注: PAWP:肺動脈楔壓；SVRI:體循環(huán)阻力指數(shù)；PVRI:肺血管阻力指數(shù)；ELWI:血管外肺水指數(shù)

項目 ASD 開放 ASD 閉合 P 值CO/(L/min) 3.1±1.3 2.4±1.4 0.166 9 PAWP /mmHg 11.8±2.1 13.5±3.2 0.096 4 SVRI/(N·s·m-2·L-1) 270.1±113.6 268.3±107.9 0.964 8 PVRI /(N·s·m-2·L-1) 33.4±7.2 45.2±9.2 0.000 5 ELWI/(mL/kg) 16.6±6.2 18.2±6.1 0.482 1

表3 ASD 開及閉前后肺氣體交換和氧代謝指標參數(shù)變化

表3 ASD 開及閉前后肺氣體交換和氧代謝指標參數(shù)變化

注: DO2:氧輸送，VO2:氧耗，O2ext:氧攝取率

項目 ASD 開放 ASD 閉合 P 值PaO2/mmHg 169.3±18.9 141.2±21.4 0.000 7 PaCO2/mmHg 38.2±4.2 40.1±3.4 0.184 1 SaO2/% 98.2±1.1 96.1±1.3 0.000 1 PaO2/FiO2 423.3±47.3 353.0±53.5 0.000 7 DO2/(mL·min-1·m-2) 411.2±166.8 398.5±108.3 0.786 4 VO2/(mL·min-1·m-2) 47.1±30.1 48.6±30.5 0.971 0 O2ext/% 13.1±4.6 12.9±4.4 0.698 7

圖1 ASD 閉合狀態(tài)下，無房水平分流；圖2 ASD 開放后出現(xiàn)左向右分流，缺損1.3 cm

討 論

LPS 是革蘭氏陰性菌內(nèi)毒素的主要成分，靜脈或吸入該藥物均可制作出急性ARDS 的動物模型，是目前常用的動物模型[5]。 ARDS 動物模型對研究類似于COVID-19 的肺損傷的發(fā)病機制、病理生理改變、診斷和治療等方面具有重要意義。 COVID-19引起的肺損傷的病理改變主要為肺間質(zhì)和肺泡損傷后出現(xiàn)肺水腫、肺泡水腫，嚴重者可以發(fā)展為肺泡透明膜形成，出現(xiàn)為ARDS 的病理和臨床表現(xiàn)。 患者因嚴重通氣/血流比例失調(diào)、肺內(nèi)分流和彌散障礙，造成頑固性低氧血癥和呼吸窘迫。 為緩解低氧血癥，氧療是必需的措施，但危重癥患者，呼吸機給氧都難以糾正低氧血癥! 我們在該實驗中應(yīng)用LPS靜脈泵入的方法成功地制作出了ARDS 的動物模型，并進行了體外循環(huán)實驗。 從病理和病理生理方面分析，該模型的病理改變可以模擬COVID-19 的肺部及全身病變，與吸入LPS 所致的動物模型相比，能夠更很好地模擬COVID-19 病理和病理生理改變。

對于ARDS 合并LVF 患者，VA-ECMO 不失為一種有效改善氧合的治療方案，但臨床資料顯示目前安裝ECMO 患者死亡率很高，目前尚沒有文獻報道的詳細數(shù)據(jù)，并且在終末期大部分患者會出現(xiàn)左心臟功能不全，對于這類危重癥患者安裝VA-ECMO或VAV-ECMO 治療，但狀態(tài)并不樂觀，甚至加重，逐漸發(fā)生多臟器衰竭(MODS)致死! 我們分析原因認為是VA-ECMO 工作模式下，氧合的靜脈血不能到達主動脈根部，心腦的供血還是從肺循環(huán)過來的低氧血液，所以，患者的癥狀難以緩解，甚至加重! 為解決該問題，可以應(yīng)用VAV-ECMO 模式，但向動脈和靜脈分流量難以控制，也不能很好地解決心臟供血問題，對心肺功能的支持有限，臨床很少使用。 針對以上分析，我們在VA-ECMO 基礎(chǔ)上設(shè)計了一種房間隔開孔術(shù)，就像心臟術(shù)后常規(guī)應(yīng)用左心引流以改善左心功能一樣，ASD 的存在可以允許左心房血液分流入右心房經(jīng)ECMO 進入主動脈，同時還能明顯減輕左心室前負荷，保證左心室處于低負荷狀態(tài)，甚至是空跳，主動脈瓣不開放，經(jīng)ECMO 氧合的血液也可以到達主動脈根部，同時左心房壓力下降、肺水腫減輕，肺循環(huán)得到改善，保證心腦的氧供，從而改善心臟功能和全身臟器和組織的血供[6]。 本實驗結(jié)果證實了我們分析內(nèi)容是正確的。

房間隔穿刺打孔術(shù)是心臟介入科的常規(guī)技術(shù)，可以在X-線和/或血管內(nèi)或食道或體表UCG 的輔助下安全實施[7]! 1 ～2 cm 大小的人造房間隔缺損不會對患者后期的心臟功能產(chǎn)生影響[8]，因此多數(shù)情況下，這些患者恢復(fù)后無需再行房間隔閉合手術(shù)，如果在后期的隨訪過程中發(fā)現(xiàn)患者有因為房間隔缺損導(dǎo)致的體肺分流過多、右心負荷過重、肺動脈壓力增高，也可以擇期行經(jīng)皮房間隔缺損封堵手術(shù)[9]。

本實驗的局限性:雖然LPS 靜脈泵入的全麻狀態(tài)的綿羊是目前重癥感染所致ARDS 的最佳模型，但是其病理生理變化可能還是與2019-nCoV 導(dǎo)致的危重癥患者有一定的不同之處； 另外，本實驗中應(yīng)用體外循環(huán)雖不能完全等同于ECMO，但二者工作原理相同。 ECMO 是在體外循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，二者的主要是區(qū)別是前者是開放性的，而后者是閉合性的，該方面的區(qū)別主要影響長期使用效果，對這次急性動物實驗結(jié)果不會造成影響；還有靜脈回流的方式不同，ECMO 是主動抽吸式，體外循環(huán)是依靠重力引流式，雖然回流方式不同，但二者均為負壓吸引作用以達到充分靜脈引流的效果并都能很好地控制靜脈回流量，其效果相當；關(guān)于主動脈插管的位置，本實驗中采用頭臂干動脈插主動脈灌注管的方法，其效果等同于ECMO 中的鎖骨下動脈插管法。綜合分析，在動物實驗中應(yīng)用體外循環(huán)模擬ECMO是合理可行的，這些方面的差異均對實驗結(jié)果影響不大，因此，ASD 合并VA-ECMO 治療ARDS 合并左心功能不全動物模型所得到的實驗結(jié)果對COVID-19 引起的ARDS 合并左心功能不全患者的治療有較好的借鑒作用，但需要進一步的臨床驗證。