机械灌注技术在移植器官保存中的研究进展

蔡明，张大伟，2（.中国人民解放军第三〇九医院器官移植研究所泌尿外科，北京0093；2.中国人民解放军总医院，北京 00853）

随着器官移植的出现，器官保存技术也应运而生［1-2］。器官保存技术是器官移植发展史上的里程碑之一。高质量的供体是器官移植的前提，器官保存技术就是尽可能减少供体器官在获取、配送及手术等过程中的缺血损伤，保证器官活力。20世纪80年代，机械灌注（machine perfusion， MP）由于静态冷保存 （static cold storage， SCS）的发展逐渐退出临床应用。目前，尽管移植手术量逐年攀升，移植器官供需矛盾仍十分突出。在供体短缺的条件下，心脏死亡供者（donation after cardiac death，DCD）和扩大 标 准 供 者（expand criteria donor，ECD）等边缘供体的使用日趋广泛。这就要求我们对不是特别理想的供体实施更好的器官保存和修复技术，以减少器官弃用率。常规的SCS可导致器官低温损伤和缺血/再灌注损伤，目前已不能满足这一要求；而MP理论上更接近正常生理情况，在器官保护上具有应用前景，这对扩大供体池的意义重大。本文就MP在器官移植中应用的进展进行综述。

1 机械灌注技术历史

早在20世纪50年代，Merrill等［3］成功实施了世界第一例肾移植手术之前，人们已经认识到器官保存的概念。1812年，Le Gallois提出通过建立体外循环来保存离体器官活性的想法，但当时并未建立人工的循环设备。此后，不少学者对器官灌注设备进行了探索，但多数都容易受到细菌感染，器官活力维持时间很短。1935年，Carrel等［4］成功研制了一款可用于多器官灌注的设备，这是第一个可查的关于常温有氧脉动灌注系统的文献。1960年，Lapchinsky等［5］利用低温血液灌注将狗的肾脏保存了超过24小时，并移植成功。1968年，Belzer等［6］通过低温机械灌注（hypothermic machine perfusion， HMP） 将人的肾脏保存了 17小时并成功进行了移植手术，持续HMP技术受到了移植医学界的重视。移植医学发展早期，HMP是器官保护的黄金标准，灌注液主要是血液［7-8］。1969年，Collins液问世后，移植专家逐渐发现SCS在器官保存中也能获得较好的效果［9-10］。20世纪80年代，是器官保存技术的转折点。1982年，Opelz等［11］的研究表明，基于Collins液的CS方案移植肾保存后受者的1年生存率为53%，MP方案的受者1年生存率仅为40%。1987年，Belzer等［12］研发了新一代UW液，加之当时强效免疫抑制剂的应用，使得器官移植患者1年生存率显著提高，SCS逐渐成为临床器官保存的金标准。而MP由于设备昂贵、操作复杂等缺点，逐渐淡出临床应用。近年来，器官移植需求日益增加，为扩大供体池，DCD和ECD供体的使用日益频繁，但带来的移植物功能延迟恢复（delayed graft function， DGF）、移植物原发性无功能（primary non-function， PNF）等问题也非常突出。ECD与标准供体相比，对缺血及缺血/再灌注损伤的耐受性差，SCS对ECD器官的保护作用明显不足。MP在器官灌注过程中由于更贴近器官生理，理论上的保存效果会优于SCS。大量研究结果表明，与SCS相比，MP能改善一些器官的供体质量，显著降低移植受者DGF和原发性肝无功能（primary non-function， PNF）的发生率［13-14］。借助科技革命的浪潮，机械灌注设备和早期相比，也日趋小型化、智能化、简便化，MP在器官保护的应用又重获吸引力。

2 机械灌注原理

目前，临床上器官保存仍以SCS为金标准，低温一方面可降低组织代谢，另一方面保存液成分有助于减轻细胞水肿。然而，细胞温度每下降10℃，只是减少1.5～2.0倍的代谢率，降低能量消耗和代谢产物累积，而并非停止代谢［15］。ATP消耗可以导致细胞膜内外电解质失衡、钙离子内流、磷脂酶激活等，进而导致细胞水肿［16］。SCS过程中代谢产物聚积可在再灌注时产生毒性物质，进而引发下游缺血/再灌注损伤相关通路［17］。此外，SCS还可对器官造成低温直接损伤和温热的再灌注血液造成的复温损伤［18-19］。SCS也无法对器官进行动态监测，移植时难以确定器官质量。

MP将器官血管连接至MP系统，在器官保存、转运过程中持续灌注。根据维持温度不同，其可以分为低温（4～6℃）、亚常温（20～25℃）和常温机械灌注（37℃）。与SCS相比，MP至少在理论上可持续向器官供应营养物质，并不断清除细胞的毒性代谢产物和自由基，从而维护细胞活力，以耐受缺血/再灌注、复温等带来的损伤。MP还能维持脉管系统的血流动力学刺激，减少血管痉挛，并实时监控血管阻力、灌注压、灌注液生化指标等参数来动态评估器官活力。未来，MP还很有可能通过药物、基因治疗等干预措施来改善器官质量［20］。但须注意，MP灌注过程中的机械应力可能会导致器官损伤。因此，MP技术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机制研究。

3 机械灌注产品

3.1 机械灌注设备：目前，在研的MP设备非常丰富，几乎涵盖了所有实体器官移植，包括有氧/无氧灌注、低温/常温/控温设备。面市的MP设备仍以肾脏低温无氧机械灌注为主，包括美国Organ Recovery Systems公司的lifeport Kidney Transporter、美国Waters Medical Systems公司的脉冲式灌注泵RM3系统以及荷兰Organ Assist公司的Kidney Assist，其中lifeport的应用最广泛。肾脏常温灌注系统也进行了临床试验，有报道称效果优于低温机械灌注，但产品尚未面市［21-22］。瑞典XVIVO Perfusion公司的XPSTM-XVIVO perfusion system是一款针对肺脏进行常温灌注的系统，已于2014年经美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准上市。此外，肝脏灌注设备 lifeport liver Transporter、Liver Assist、OrganOx metra（常温）和心脏灌注设备LifeCradle@ Heart Perfusion System目前仍在进行临床试验。一些公司还在研发可多器官共用的机械灌注平台，包括美国Smart Perfusion公司的VASOWAVETM、美国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］就提出器官保存液应具有降低移植物水肿、细胞内酸中毒、氧自由基以及提供能量底物的功效，这对保存液的研发意义重大。尽管目前各种保存液成分有所不同，但仍都遵循Belzer的思路。器官保存液可根据其模拟细胞内或外环境的情况分为细胞内液型或细胞外液型，还可根据其用途分为肾脏、肝脏、心脏等或多器官灌注液。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“金标准”。肾脏灌注包括法国的SCOT液，日本的Kyoto液和国产的HCA-Ⅱ液。当前，除HCA-Ⅱ液之外，我国器官保存液主要依赖于进口。我国移植领域的专家应深入器官损伤及保护的病理生理机制，努力研制优质的器官保存液，以打破国外垄断。

4 低温机械灌注

1968年，Belzer等［6］首次利用HMP成功实施了肾移植手术。目前，HMP在肾移植领域的应用最为成熟，已有不少移植中心在临床应用，相关研究也较多。多项研究证实，与SCS相比，HMP可以降低肾移植患者DGF和PNF率，但长期存活仍然存在争议［26-28］。2007年，1项前瞻性研究比较了227例HMP和188例SCS的移植肾长期存活情况后发现，尽管HMP组的冷缺血时间较长，供体血液动力学较差，但5年移植物存活优于SCS组；此外，HMP组减少了重新透析患者的数量［29］。HMP在心脏、肝脏等器官移植的应用，也有不少学者正在积极大胆地探索。已证实，HMP可显著减轻胆管周围微小血管硬化，增加摄氧能力［30-32］。Guarrera 等［33］首次实施了HMP的肝脏移植临床试验，随后该团队还研究了HMP在肝脏中的保护机制，发现HMP可以减少促炎因子的表达，抑制下游黏附分子激活和中性粒细胞和巨噬细胞迁移［34］。Dutkowski等［14］则首次报道了HMP在DCD肝脏供体中的保护性作用。最近，Michel等［35］在猪的心脏移植模型中对SCS和HMP技术进行了比较，发现两组移植心脏收缩和舒张功能无明显差异，但HMP组的心肌细胞结构优于SCS组，这表明HMP可能减轻心脏移植患者心衰的发生率，但仍需临床试验进一步支持。

5 常温机械灌注（normothermic machine perfusion，NMP）

NMP并非是一项新的器官保存技术。早在1935年，Carrel等［4］就利用氧和血清对腹腔器官进行了常温灌注，并维持器官活力数天。与SCS相比，NMP可避免低温直接损伤、复温伤并减轻缺血/再灌注损伤。早期，NMP在许多动物实验中已证实具有器官保护作用，近年临床试验也逐渐开展起来［36-38］。2014 年，Koerner等［39］在一项临床试验对比了29例NMP和130例SCS的心脏移植病例发现，NMP组患者30天、1年、2年生存率分别为96%、89%和89%，优于CS组的95%、81%和79%。Hosgood等［40］在猪的肾脏移植模型中发现，对经23小时CS保存的供肾给予1小时的NMP，供肾代谢功能及小管损伤明显优于连续24小时CS组；该作者在2016年还利用NMP对因原位灌注不理想而欲弃用的肾脏进行了修复，最终供肾顺利移植，且术后即发挥功能，患者未出现任何并发症［41］。肝脏移植中，Hoyer等［42］用有氧 NMP 对CS保存的肝脏进行了90分钟的复温，发现较未处理组，移植后患者的血清转氨酶峰值下降了50%，6个月的生存率为100%，而未处理组仅有80.9%；这也是首次对肝脏进行NMP复温的临床研究。需要注意的是，由于常温灌注系统需要温控、供氧模块以及足够电量储备以维持设备运转，技术层面要比HMP设备复杂的多。因此，NMP用于临床仍需克服设备便携化、使用简便化等难题。

6 亚常温机械灌注（subnormothermic machine perfusion， SNMP）

目前，SNMP在器官移植中的研究较少，且主要集中在肝脏移植［43-46］。SNMP的优势在于一方面可避免HMP对器官的低温损伤和灌注后的复温损伤，另一方面又可以避免NMP的复杂技术和庞大的设备体积。2014年，Bruinsma等［47］首次利用SNMP进行肝移植临床试验，发现SNMP可以有效维护肝脏功能，减少肝脏缺血/再灌注损伤 （ischemia reperfusion injury， IRI）；2015 年，Bruinsma 等［48］在JoVE数据库中以视频和文本的方式介绍了SNMP灌注的详细过程。此后，不少学者利用大鼠、猪等模型探索了SNMP技术在肝脏移植中应用的可能性，并取得了不错的效果［46，49］。2014年，Hoyer等［49］发表了首篇利用SNMP进行肾脏保存的动物研究，发现SNMP组移植肾的血流量和尿量都显著升高，肌酐清除率较HMP组提高2倍，较SCS组提高10倍。目前，SNMP在心脏、肺脏器官移植中的研究尚未见报道。

7 器官修复

研究发现，组织或细胞从低温向生理温度复温时可出现损伤（复温损伤）。供体器官的组织损伤主要是由于移植后温热的血液再灌注引起的，而非CS的低温直接损伤［18-19］。因此，许多学者提出了器官修复概念，即在SCS末期进行一段时间的MP，以恢复细胞稳态，提高器官耐受复温损伤和IRI的能力。Gallinat等［13］在1项肾移植临床试验中发现，HMP修复组患者PNF和DGF发生率为0%和11.6%，显著低于CS的9.3%和20.9%。Nakajima等［37］对DCD来源的肺脏进行NMP修复，发现NMP可以修复肺脏在热缺血期间产生的损伤，并可以减轻移植后IRI程度。与持续机械灌注相比，“器官修复”的优势在于，器官获取人员可以先采取简便的CS技术，随后在有条件的移植中心再进行MP进行器官修复，这对MP设备小型化的要求大大降低。

8 结论与展望

器官保存技术发展到今天，MP技术又重获重视。MP的优势在于其更贴近器官的生理状态，可实时监测灌注液生化指标、流速、血管阻力等参数以动态评估器官质量。MP技术的发展有可能进一步延长器官保存时间，这将深刻影响器官分配政策。MP丰富了临床器官保存技术的选择，利用持续机械灌注或是利用MP进行器官修复可能在扩大供体池中发挥有益的作用。但应注意的是，MP技术目前仍缺乏高水平的临床证据，因此，无法给予循证医学建议。MP是否能在将来取代CS进行器官保存有待进一步研究，目前CS仍是临床器官保存的金标准。