一種磁液懸浮心室輔助裝置主動(dòng)停工在體實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究

王帆,張杰民,劉天文,劉曉程

(泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院,天津 300457)

心室輔助裝置故障報(bào)道[1]多集中在泵內(nèi)血栓的形成方面[2]。但是,心室輔助裝置由血泵、引出導(dǎo)線、控制器和電池設(shè)備等組成[3],這些組件均有可能會(huì)發(fā)生故障[4]。由航天泰心科技有限公司研發(fā)的型號(hào)HeartCon植入式磁液懸浮心室輔助裝置已經(jīng)過多輪改進(jìn)加工測試,并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)羊上[5]。此次實(shí)驗(yàn)為模擬血泵停工實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在體研究[6],旨在評(píng)估當(dāng)血泵系統(tǒng)停工后的血泵血液相容性[7]和生物適應(yīng)性,是否有相關(guān)并發(fā)癥,包括感染、血泵機(jī)械故障,以及不抗凝產(chǎn)生的影響,包括是否有出血、血栓形成等,并觀察血泵的反流情況[1],為左心輔助臨床應(yīng)用[8]積累可靠數(shù)據(jù)[9]。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

鑒于心室輔助裝置植入部位(心尖)的特殊性并參考國際上VAD的體內(nèi)評(píng)估經(jīng)驗(yàn),根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)并參考臨床專業(yè)意見,遵循“優(yōu)化、減少、替代”的3R原則選取普通級(jí)12~16月齡的雄性健康小尾寒羊1只,體重80~90 kg。正常運(yùn)行6周后主動(dòng)停泵,并停服抗凝藥物華法林,飼養(yǎng)于百級(jí)飼養(yǎng)室內(nèi),溫度24.2℃,相對(duì)濕度68.4%,氣流速度0.08 m/s,噪聲44.7 dB(A),工作照度342 Lx,動(dòng)物照度137.2 Lx,換氣次數(shù)每小時(shí)19.9次。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來源于天津市百農(nóng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物繁育科技有限公司【SCXK(津)2020-0002】,實(shí)驗(yàn)于泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物設(shè)施內(nèi)進(jìn)行【SYXK(津?yàn)I)2020-0004】,經(jīng)泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院倫理委員會(huì)審批倫理決議編號(hào)(TICH-JY-20180824)。根據(jù)ANSI/AAMI/ISO 14708-5:6.111的要求進(jìn)行器械體內(nèi)評(píng)測。

1.1.2 主要試劑與儀器

鹽酸賽拉嗪注射液(吉林省華牧動(dòng)物保健品有限公司);鹽酸戊乙奎醚注射液(成都力思特制藥股份有限公司);氯化琥珀膽堿注射液(上海旭東海普藥業(yè)有限公司);吸入用七氟烷(上海恒瑞醫(yī)藥有限公司);注射用烏司他丁(廣東天普生化醫(yī)藥股份有限公司);注射用鹽酸瑞芬太尼(宜昌人福藥業(yè)有限責(zé)任公司);氯鹽酸右美托咪定注射液(江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司);琥珀酰明膠注射液(中國大冢制藥有限公司);華法林鈉片(Orion Corporation)。

超聲血流量測定儀(美國TRANSONIC);麻醉機(jī)(美國 歐美達(dá));電動(dòng)呼吸機(jī)(德國 西門子);插件式生命體征監(jiān)護(hù)儀(美國歐美達(dá));全血凝血時(shí)間測試儀(美國ITC);全自動(dòng)血?dú)夥治鰞x(美國OPTI);除顫器(荷蘭 飛利浦);五分類血細(xì)胞分析儀(深圳邁瑞)。

HeartCon系統(tǒng)信息:本次動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為航天泰心科技有限公司研發(fā)的HeartCon型植入式磁液懸浮心室輔助裝置[10]。因?qū)嶒?yàn)需要,產(chǎn)品額外配置了實(shí)驗(yàn)用監(jiān)控器、實(shí)驗(yàn)羊用便攜式背包。實(shí)驗(yàn)用器械的質(zhì)量管理體系符合《醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》、YY/T0287-2018 idt ISO 13485:2016、GB/T19001-2016 idt ISO 9001:2015及其它適用法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 方法

1.2.1 術(shù)前準(zhǔn)備

禁食前10~12 h進(jìn)易消化草料,術(shù)前禁食24 h,禁水12 h[11]。麻醉前60 min肌注鹽酸戊乙奎醚注射液(長托寧)2 mg,麻醉前30 min肌注鹽酸賽拉嗪注射液(陸眠寧)0.6~1.0 mg/kg。大隱靜脈穿刺,留置靜脈通路。耳動(dòng)脈建立動(dòng)脈通路監(jiān)測血壓,同時(shí)監(jiān)測心率、血氧飽和度。保持羊側(cè)臥,行氣管插管。靜脈注射琥珀膽堿5~10 mg,連接麻醉機(jī)[12]。麻醉機(jī)設(shè)置:潮氣量8 mL/kg,呼吸頻率每分鐘15次,PEEP設(shè)置5 cm H2O,吸呼比1∶2,吸入氧濃度40%~100%,七氟烷吸入1%~4%。頸靜脈置管后局部縫合固定用于監(jiān)測CVP。置入胃管,胃腸減壓。靜脈注射地塞米松5~10 mg;靜脈給予鹽酸利多卡因2 mg/min持續(xù)泵入,預(yù)防心律失常;靜脈注射烏司他丁10萬UI/H,保護(hù)臟器。

1.2.2 手術(shù)步驟

實(shí)驗(yàn)羊采取右側(cè)臥位,選擇適當(dāng)進(jìn)胸位置后[13],經(jīng)左側(cè)第四和第五肋間進(jìn)胸。進(jìn)胸前,暫停呼吸機(jī),避免損傷肺。進(jìn)入胸腔后,切開肋間肌肉,切口要充分,且不傷及左側(cè)乳內(nèi)動(dòng)脈。牽開肋骨,充分顯露主動(dòng)脈弓降部、降主動(dòng)脈、心臟和肺動(dòng)脈。

開胸后給予保護(hù)性肺通氣策略,小潮氣量,合適PEEP,快頻率,調(diào)整呼吸機(jī)參數(shù):潮氣量6 mL/kg,呼吸頻率每分鐘16~20次,PEEP調(diào)整為5 cm H2O。充分顯露主動(dòng)脈弓降部,剪開主動(dòng)脈外膜,鈍性分離。主動(dòng)脈下方套保護(hù)帶,以備應(yīng)急。

剪開心包,充分顯露心臟及心尖部位,選擇好血泵流入端進(jìn)入心尖的部位,確定流出端人工血管的吻合部位和血管長度。

吻合前,靜脈給予肝素1 mg/kg,測定ACT在480 s以上。

按選定部位,應(yīng)用主動(dòng)脈側(cè)壁鉗,部分阻斷降主動(dòng)脈。觀察血壓無明顯升高后,選定適合長度,應(yīng)用4-0 prolene線,將人工血管遠(yuǎn)端與降主動(dòng)脈切口完成連續(xù)的端側(cè)吻合。

吻合過程中,盡量減輕肺壓迫和損傷。確認(rèn)吻合處無皺褶、無出血后,向血泵內(nèi)注入0.4 mg/mL肝素生理鹽水,排氣,彎鉗夾閉人工血管,緩慢開放降主動(dòng)脈側(cè)壁鉗,確認(rèn)吻合口無滲血或出血。

在左心尖處,選擇適宜部位縫合心室縫合環(huán)。應(yīng)用自制心室打孔器,完成心尖打孔后,將血泵流入端插入心尖,調(diào)整好血泵位置并固定后啟動(dòng)血泵,啟動(dòng)轉(zhuǎn)速2400 rpm,排氣,開放人工血管,完成左心室到降主動(dòng)脈的輔助循環(huán)。充分止血,調(diào)整呼吸機(jī)參數(shù):潮氣量8 mL/kg,呼吸頻率每分鐘15次,PEEP設(shè)置8 cm H2O,吸呼比1∶2,吸入氧濃度40%~100%,停止七氟烷吸入,同時(shí)膨肺,逐層關(guān)胸至術(shù)終。給予艾貝寧0.2μg/(kg·h)持續(xù)泵入[14]。

1.2.3 術(shù)后監(jiān)護(hù)

術(shù)后早期將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物置于術(shù)后固定架中,持續(xù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)動(dòng)物生理狀態(tài),循環(huán)情況。待恢復(fù)自主呼吸后滿足拔管條件后拔出氣管導(dǎo)管。拔管后給予鼻氧管低流量氧氣支持直至氧飽和度穩(wěn)定。拔管后12 h,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物允許進(jìn)食。待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生命體征穩(wěn)定、血泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,轉(zhuǎn)移至動(dòng)物ICU,進(jìn)行常規(guī)監(jiān)護(hù)[15]、治療和常規(guī)血液學(xué)及生化檢測(每周1次),同時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)羊心率及血泵參數(shù),每日口服華法林合理控制凝血酶原時(shí)間國際標(biāo)準(zhǔn)化比值(INR)。

1.2.4 模擬停工

術(shù)后6周,斷開血泵與控制器的連接,監(jiān)控器顯示血泵已停止運(yùn)行,聽診確認(rèn)血泵停工無誤。血泵停工后停服華法林。常規(guī)血液學(xué)及生化檢測(每周1次,至12周)。

1.2.5 實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)

遵循實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利“5F”原則,使用陸眠寧100 mg,肌肉注射起效后,應(yīng)用10%氯化鉀30 mL,肝素3 mg/kg,對(duì)血泵停工羊?qū)嵤┌矘匪馈０础安±韺W(xué)診斷規(guī)范”進(jìn)行解剖。肉眼觀察心臟、肺、肝、脾、腎、胃腸、腦等主要臟器有無梗死或病變,并對(duì)其進(jìn)行拍照。觀察血泵流入道和出口人造血管、主動(dòng)脈、心室內(nèi)是否存在纖維蛋白鞘或血栓。

2 結(jié)果

2.1 血泵工況及血液檢查超聲檢查結(jié)果

血泵工作6周內(nèi),正常運(yùn)轉(zhuǎn),聽診聲音輕柔、均一。轉(zhuǎn)速(2600±100)r/min,電壓(14.5±0.5)V,電流(0.24±0.11)A,流量(0.8~3.8)L/min,無機(jī)械故障,無異常電流。血泵控制器各插口接觸良好,能完成轉(zhuǎn)速調(diào)整指令;長時(shí)間使用,控制器無明顯發(fā)熱;各參數(shù)清楚顯示且無誤。

實(shí)驗(yàn)羊在停泵前后均保持良好的精神狀態(tài)、活動(dòng)自如、進(jìn)食良好及尿便正常。血常規(guī)及生化指標(biāo)基本在正常范圍內(nèi)[16],血泵停工羊術(shù)前及1~12周血液、生化、凝血檢查結(jié)果包括白細(xì)胞(WBC)、紅細(xì)胞(RBC)、血紅蛋白(HGB)、血漿游離血紅蛋白(FHb)、尿素(UREA)、肌酐(CREA)、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)、總膽紅素(TBIL)、乳酸脫氫酶(LDH)、凝血酶原時(shí)間(PT)、凝血酶原時(shí)間國際標(biāo)準(zhǔn)化比值(PT.INR)、活化部分凝血活酶時(shí)間(APTT)、纖維蛋白原(Fbg),以圖表形式匯總。

其中血細(xì)胞指標(biāo)(白細(xì)胞、紅細(xì)胞)(見圖1),停工羊術(shù)前指標(biāo)值為11.3,1~12周指標(biāo)值在8.5~13.4之間,第7周停工值為11.5,停工后并無明顯波動(dòng)。紅細(xì)胞術(shù)前值5.5,1~12周指標(biāo)值在7.7~9.6之間,停工羊第7周停工值為9.1,停工后無明顯波動(dòng)。

圖1 血細(xì)胞指標(biāo)Figure 1 Blood cell index

肝功能指標(biāo)(丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、總膽紅素)見圖2,其中丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶術(shù)前值19,術(shù)后1~6周在18~20范圍內(nèi),7~12周在14~17范圍內(nèi)。天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶術(shù)前值101,術(shù)后1~6周在82~109范圍內(nèi),7~12周在71~80范圍內(nèi)。在術(shù)后6周開始,丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶均有下降趨勢。總膽紅素術(shù)前值0.2,術(shù)后1~12周在0.1~0.9范圍內(nèi),停泵后未見明顯波動(dòng)。

圖2 肝功能指標(biāo)Figure 2 Liver function indicators

心肌功能指標(biāo)(乳酸脫氫酶)見圖3,乳酸脫氫酶術(shù)前值355。1~6周在629~862范圍內(nèi),7~12周在397~456范圍內(nèi)。在術(shù)后1周內(nèi)有明顯升高,在術(shù)后6周開始呈下降趨勢。

圖3 心肌功能指標(biāo)Figure 3 Myocardial function index

凝血功能指標(biāo)(凝血酶原時(shí)間、凝血酶原時(shí)間國際標(biāo)準(zhǔn)化比值、活化部分凝血活酶時(shí)間、纖維蛋白原)(見圖4),凝血酶原時(shí)間術(shù)前值17.1,1~6周在15.5~27.9范圍內(nèi),7~12周在12.1~14.8范圍內(nèi),未見明顯波動(dòng)。凝血酶原時(shí)間國際標(biāo)準(zhǔn)化比值術(shù)前值1.48,術(shù)后1~6周值在1.34~2.38范圍內(nèi)。術(shù)后7~12周在1.06~1.28范圍內(nèi),未見明顯波動(dòng)?；罨糠帜蠲笗r(shí)間術(shù)前值42.77,術(shù)后1~6周在62.2~122.0范圍內(nèi)。術(shù)后7~12周在35.8~49.2范圍內(nèi),未見明顯波動(dòng)。纖維蛋白原術(shù)前值2.40。術(shù)后1~6周在1.83~3.42范圍內(nèi)。術(shù)后7~12周在1.07~1.65范圍內(nèi),未見明顯波動(dòng)。

圖4 凝血功能指標(biāo)Figure 4 Coagulation function index

溶血指標(biāo)(游離血紅蛋白)見圖5。游離血紅蛋白術(shù)前值5.0。術(shù)后1~6周在8.0~137范圍內(nèi)。術(shù)后7~12周在19.0~84.0范圍內(nèi)。

圖5 溶血指標(biāo)Figure 5 Hemolysis index

超聲結(jié)果見圖6。血泵停工后16周進(jìn)行超聲檢查,顯示收縮期人工管道內(nèi)主流頻譜成反向,人工血管入口可見反向紅色血流信號(hào)[17]。

圖6 血泵停工后16周進(jìn)行超聲檢查Figure 6 Ultrasound examination was performed 16 weeks after blood pump shutdown

2.2 實(shí)驗(yàn)羊大體解剖結(jié)果

實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)對(duì)血泵停工羊進(jìn)行解剖大體解剖,結(jié)果見圖7。眼觀心臟大小和形狀與術(shù)中基本一致,外膜有少許蛋白附著,內(nèi)膜光滑。肝形態(tài)、大小無明顯異常。包膜光滑、平整。脾形態(tài)、大小無明顯異常。雙側(cè)肺均呈粉紅色。被膜光滑,葉間分界清晰。無結(jié)節(jié)、腫塊。雙側(cè)腎形態(tài)、大小正常,包膜光滑,有少許粘連。腦組織眼觀未見明顯異常。胃腸眼觀無明顯異常。腸系膜淋巴結(jié)正常,胃腸未見出血點(diǎn)和壞死灶。人工血管與降主動(dòng)脈吻合口處平整,無血栓和贅生物。

圖7 血泵停工羊大體解剖Note.Heart with blood pump and artificial blood vesse.Figure 7 Gross anatomy of blood pump stopped sheep

2.3 異常組織病理結(jié)果

取疑似異常組織HE染色,100倍鏡下檢查。其中,心臟取1.5 cm×1.5 cm×1 cm組織(占整體標(biāo)本體積0.70%)鏡檢局部心肌纖維變性(5%~10%),肌間質(zhì)纖維組織增生(5%~10%),局部鈣化(1%~5%),少量淋巴細(xì)胞浸潤(≤25個(gè)/HPF),局部可見出血灶(5%~10%)。心被膜處可見縫線組織,周邊纖維組織增生(10%~20%),局部出血(1%~5%),少量淋巴細(xì)胞浸潤(≤25個(gè)/HPF),巨噬細(xì)胞浸潤(1~5個(gè)/HPF),異物巨細(xì)胞形成(3~5個(gè)/HPF),較多毛細(xì)血管增生(4~7個(gè)/HPF)。肝取1.5 cm×1.5 cm×1 cm組織(占整體標(biāo)本體積0.29%),鏡檢肝細(xì)胞水腫(10%~20%),肝細(xì)胞胞漿空泡變性(10%~20%),肝竇淤血(5%~10%),肝內(nèi)色素沉著(5%~10%),匯管區(qū)周圍淋巴細(xì)胞浸潤(≤25個(gè)/HPF)。脾取1 cm×1 cm×1 cm組織(占整體標(biāo)本體積0.27%),鏡檢脾淤血(70%~80%),紅髓內(nèi)含鐵血黃素沉積(10%~20%)。肺取2 cm×2 cm×2 cm組織(占整體標(biāo)本體積0.74%),被膜出血(1%~5%),肺淤血(30%~40%),肺間隔增寬(5%~10%),血管、支氣管周圍淋巴細(xì)胞浸潤(≤25個(gè)/HPF),肺內(nèi)色素沉著(5%~10%)。腎取1 cm×1 cm×1 cm組織(占整體標(biāo)本體積0.93%)腎皮質(zhì)梗死(5%~10%),纖維組織增生(5%~10%),淋巴細(xì)胞浸潤(26~50個(gè)/HPF),腎小管上皮細(xì)胞空泡變性(5%~10%),腎小管再生(5%~10%),腎小管蛋白管型(1%~5%),腎小管、腎乳頭鈣化(1%~5%)(見圖8)。

圖8 血泵停工羊異常組織鏡檢圖Figure 8 Microscopic examination of abnormal tissues in sheep with blood pump shutdown

3 討論

據(jù)相關(guān)研究報(bào)道[1],在選取2004年4月至2016年5月期間213個(gè)植入左心輔助裝置數(shù)據(jù)中,包括108個(gè)HeartMate II(HMII)和105個(gè)HeartWare心室輔助裝置(HVAD)。設(shè)備故障數(shù)據(jù)患者在其支持過程中通常有多種類型的設(shè)備故障。近64%的HVAD接受者沒有設(shè)備故障,而49%的HMII沒有故障。超過11%的HMII患者有5個(gè)或5個(gè)以上的設(shè)備故障,而3.8%的HVAD患者有同樣多的反復(fù)故障。其中共產(chǎn)生291個(gè)故障事件,控制器故障占所有故障的30%,電池過早故障(19%)或患者電纜故障(14%),13%是由于泵故障本身。最后24%是由于各種外圍組件故障。在長期植入左心輔助裝置過程中,血泵無論外部組件還是泵體本身,產(chǎn)生的故障率較高,血泵故障停工后對(duì)機(jī)體影響非常值得我們研究。同時(shí),也應(yīng)注意到是否會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的并發(fā)癥,包括感染、出血、血栓等。

本實(shí)驗(yàn)已接近臨床前試驗(yàn),從實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇,手術(shù)方式、治療與護(hù)理的科學(xué)性和規(guī)范性均依照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。對(duì)于裝置正常工況的性能與生理狀態(tài)穩(wěn)定等方面,已經(jīng)成組實(shí)驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,達(dá)到臨床前應(yīng)用水平。

就本實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言,血泵停工前后血液生化檢查統(tǒng)計(jì)圖中觀察到,血細(xì)胞指標(biāo)方面未觀察到明顯變化,在肝腎功能指標(biāo)方面觀察到在術(shù)后1~6周有一定的升高,在停工后的7~12周基本下降到術(shù)前水平,且無明顯波動(dòng)。推測血泵運(yùn)行可能對(duì)肝腎功能產(chǎn)生一過性影響,停工后對(duì)肝腎功能無明顯影響。LDH的變化可能來自于手術(shù)對(duì)心尖心肌創(chuàng)傷導(dǎo)致心肌細(xì)胞的破壞,血泵運(yùn)行平穩(wěn)后,LDH逐漸恢復(fù),且在血泵停工后并無顯著變化。推測在血泵停工后并沒有對(duì)心肌產(chǎn)生副損傷。在凝血指標(biāo)方面,由于在術(shù)后1~6周進(jìn)行抗凝治療,指標(biāo)值有一定的波動(dòng),在血泵停工并停服華法林后,指標(biāo)恢復(fù)至術(shù)前水平。結(jié)合超聲和泵體拆解后未見血栓,推測由于心臟及血管內(nèi)的負(fù)荷壓力產(chǎn)生的搏動(dòng)血流能在血泵內(nèi)產(chǎn)生一定流場防止血液凝固。在溶血指標(biāo)方面,術(shù)后早期指標(biāo)有一定的波動(dòng),停工后較為穩(wěn)定。推測由于早期血泵位置未完全固定隨體位變化可能對(duì)溶血產(chǎn)生一定影響,在停工后位置相對(duì)固定且停止對(duì)血細(xì)胞的剪切,所以指標(biāo)值相對(duì)穩(wěn)定并從一定程度上看出血泵的血液相容性較好。

病理結(jié)果表明,血泵停工并沒有對(duì)臟器產(chǎn)生明顯不良影響。

結(jié)合血液學(xué)檢測結(jié)果和病理解剖結(jié)果分析:血泵停工,對(duì)血液相容性[18]、對(duì)實(shí)驗(yàn)羊生理狀態(tài)和肝腎功能均未見明顯不良影響。

人工血管通暢,但由于血泵轉(zhuǎn)子和定子間隙很小,人工血管通過血泵反流至左心室血流量較小,該左心輔助實(shí)驗(yàn)羊,超聲未見左室明顯擴(kuò)張,左心室功能無異常[19]。為后期臨床應(yīng)用過程中出現(xiàn)意外停泵的處理提供參考依據(jù)[20]。在臨床上,應(yīng)用血泵患者過度抗凝治療導(dǎo)致出血,低劑量抗凝或不抗凝治療如果不形成血栓將是解決出血問題好的方法。故后續(xù)將進(jìn)行左心輔助低劑量抗凝治療及多組停工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷完善[21]。