心脏体外机械灌注的最新进展

贾崧淏，韩杰， 贡鸣， 张宏家， 姜文剑（首都医科大学附属北京安贞医院-北京市心肺血管疾病研究所,心脏外科，心肺移植中心，心血管精准医学北京实验室，北京100029）

自从1967 年第1 例心脏移植手术以来，心脏移植手术始终是治疗难治性终末期心力衰竭最有效的治疗方法，据报道1 年生存率为85% ～ 93%，10 年的长期生存率高达69%［1-3］。近年来，心脏移植在手术技术、免疫治疗、器官分配系统等方面都取得了重大进展［4］。然而，在供体心脏保存方面，应用最多的仍是传统低温保存法。这种保存策略不可避免的引入了时间依赖性缺血损伤，从而导致了植入后的再灌注损伤。此外由于可供移植的供体严重不足，心脏死亡供体（donation after circulatory death，DCD）引起了国外研究者们的注意［5］，然而即使采用可控的马斯特里赫特Ⅲ或Ⅳ型供体仍不可避免的会经历一段无保护的热缺血时间，传统低温保存法难以保障供体质量［6］。心脏体外机械灌注可以在向心肌提供氧气和营养的同时，从心肌中清除代谢废物，减少缺血/再灌注损伤［7］，使DCD 心脏移植在澳大利亚和英国得到开展，甚至在国外一些中心，DCD 心脏移植已可以占到其心脏移植总数的三分之一［8］。本文将从心脏体外机械灌注的简介和分类，以及相关研究进展等方面综述最新进展。

1 心脏体外机械灌注的简介和分类

早在1866 年Ludwig 和 Cyon 就首先提出了体外机械灌注的概念［7］，随后Langendorff 开创了一种系统，通过升主动脉插管灌注冠状动脉［9］，使离体的哺乳动物心脏复跳。后经研究者们的不断改良Langendorff 心脏模型的概念已被纳入现代心脏体外机械灌注机器中。它的优势主要是能为心脏提供连续的循环，从而保护其免受持续的缺血性损伤。此外，它还为减轻再灌注损伤，检测评估供心功能以及通过药物治疗“恢复”边缘器官等提供了平台。心脏体外机械灌注发展到今天主要有温血体外机械灌注、低温氧合体外机械灌注和不停跳温血机械灌注（无缺血心脏移植）3 种，而其中应用最多是温血体外机械灌注，基于这种理念开发的Transmedic器官护理系统（organ care system，OCS）已在美国、欧洲、澳大利亚等地的一些中心应用。

2 温血机械灌注的最新进展

在充分的临床前研究基础上［10］，TransMedics公司开发了第一台商用体外温血机械灌注机——OCS。它使用预先采集的供体血液与专有的预充液混合，34℃常温持续灌注冠状动脉，并允许心脏在体外无菌室内跳动。更难能可贵的是，在保存期间，该系统可以实时测量灌注压、冠状动脉流速和血气结果，并显示在监视器上。这使得临床医生可以实时调整灌注条件，并完成实时供心评估，这都是传统低温保存方式所不具备的。

2.1 温血机械灌注在脑死亡供体心脏移植中的研究进展：研究人员发现在脑死亡供体心脏移植中，OCS 的使用可为供体心脏提供更长的缺血时间，而不会对患者的预后产生不利影响。包括发表在柳叶刀杂志上多篇研究证实，OCS 在2 年生存率、MACE 和血管病变发生率方面都没有发现与传统低温保存法有显著差异［11-13］。目前已报道出的最长成功手术的保存时间为10.5 h［14］，既往研究也普遍认为应用OCS 可以延长至少120 min 的保存时间［15］。此外有研究证实对于以往认为不适合移植供体，即转运时间超过2.5 h，估计缺血时间超过4 h，左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）小于50%、左心室肥厚（left ventricular hypertrophy，LVH）、供体心脏骤停、捐献者酒精/药物滥用、患有冠状动脉疾病等，应用OCS 系统进行心脏移植是安全可行的，这是传统低温保存法所不具备的［16］。由于该系统可动态评估供体心脏状态以决定是否应用，并为供心恢复提供平台，有望使更多以往无法移植的脑死亡边缘供体得到应用［17］。

此外温血机械灌注还为治疗供心提供了平台，有动物实验证实在体外温血机械灌注中加入siRNA阻断炎症和凋亡途径，可以改善心脏功能，减少细胞凋亡和心肌损伤，从而提高供心质量［18］。未来在温血机械灌注的平台上，将有望研发适用于人类供心的保存和药物治疗方法，以提升供心质量。

2.2 温血机械灌注在循环死亡供体心脏移植中的研究进展：尽管克里斯蒂亚安·巴纳德 1967 年进行第一次成功的人类心脏移植手术时使用的就是循环死亡供体，但在 1970 年代引入和认识脑死亡后，它迅速被脑死亡供体心脏移植取代。因为在脑死亡供体心脏移植中，供体心脏可以持续灌注直到外科医生应用心脏保护措施并按计划进行钳夹，而循环死亡供体心脏移植在循环停止和移植物获取之间不可避免的会经历热缺血过程，心脏很容易在这一过程以及随后再灌注中受损。近20 年来，由于供体器官的短缺和技术的进步，循环死亡供体心脏移植再次引起了国外研究者们的兴趣，有研究者估计采用循环死亡供体心脏移植可增加15%成人心脏移植，减少40%在等待名单上的死亡［19］。

最近，澳大利亚［20］和英国［21-23］的外科医生成功实施了70 多例循环死亡供体的心脏移植。在不到 3 年的时间内，他们成功对70 多例马斯特里赫特Ⅲ型捐献者（预期循环骤停捐献者）使用了 3 种不同的移植物获取和保存技术［24］。 第一种技术是非原位常温机器灌注［20］，这种方法是通过主动脉根部输送的补充有促红细胞生成素和三硝酸甘油酯的冷 St Thomas 心脏停搏液阻滞和保护心脏，同时收集捐献者血液，肝素化，去除白细胞，然后使用TransMedics 器官护理系统进行非原位灌注。该系统可以通过主动脉根部连续灌注冠状动脉，而左心室保持在无负荷状态。在灌注过程中监测包括心率、节律、主动脉压、冠状动脉血流和乳酸曲线，其中乳酸曲线和异位灌注期间心脏的目视检查对于移植评估特别重要。第二种技术是供体心脏的原位、常温、区域灌注［21-22］。使用这种方法，所有位于主动脉弓上方的血管都被夹闭以停止脑循环，并在体外支持下恢复重要器官的灌注。当心脏收缩力充分恢复时，停止体外循环支持，插入肺动脉导管以获得心输出量和压力测量值并通过经食道超声心动图用于评估双心室和瓣膜功能。然后使用补充有促红细胞生成素和硝酸甘油酯的冷 St Thomas 心脏停搏液停止心脏，并使用器官护理系统连续灌注运输。第三种技术为常温区域灌注，然后冷、静态心脏停搏储存［21］。 国外研究者们发现接受循环死亡心脏移植患者的90 d 存活率、1 年存活率、移植物功能、住院时间和治疗排斥事件的数量与接受脑死亡供体心脏移植的患者没有区别［25］，诚然其临床效果仍有待未来更大样本量、更长期的临床研究证实。

如今关于温血机械灌注的灌注条件仍是一个研究热点，研究者们不断优化灌注条件以期达到更好的保存效果［26］。

3 其他机械灌注的最新进展

3.1 低温氧合体外机械灌注的研究进展：传统低温保存法通过抑制心肌收缩和降低温度来最大限度地减少心脏的氧气和能量需求［27］。然而这会迫使心肌细胞进行无氧呼吸，导致细胞内酸中毒［28］。 近期有研究者通过对离体心脏灌注含有超顺磁性氧化铁纳米颗粒的冷冻保存剂解决上述问题，实现玻璃化并在液氮中保存，复温时使用纳米加热技术，在动物实验中取得了良好效果［29］。低温氧合体外机械灌注则通过提供含氧营养丰富的灌注液来纠正这一问题，同时降低心肌代谢。

基于动物实验的临床前研究表明，低温氧合体外机械灌注保存的心脏的收缩功能明显优于传统低温保存的心脏［30］，并且能够更好的保存供心的细胞结构［31］。这种出色的结果可能是通过多种机制实现的。由低温氧合体外机械灌注保存的心脏可以通过有氧代谢产生足够的三磷酸腺苷，因此就不会经历组织酸中毒［32］。 此外随着缺血性损伤的减少，它们产生的再灌注时的活性氧产生也会减少。近期也有研究者进行了循环死亡供体的低温氧合体外机械灌注临床前实验，研究发现通过低温氧合体外机械灌注保存的循环死亡供体可以被成功复苏并移植，且保存效果优于传统低温保存［33］。

在最近的一项比较低温氧合体外机械灌注和传统低温保存的临床试验中［34］，6 例接受低温氧合体外机械灌注保存脑死亡供心的患者均存活了 6 个月以上，没有发生严重的心脏相关的不良事件，结果明显优于接受传统低温保存组。 尽管这只是一个小样本研究，但这项研究表明在移植供体保存中使用低温氧合体外机械灌注是安全且可能有益的。未来随着技术的改进，低温氧合体外机械灌注也可能为脑死亡边缘供体和循环死亡供体的保存提供平台支持。

3.2 不停跳温血机械灌注（无缺血心脏移植）：近期中山大学附属第一医院何晓顺教授团队完成了世界首例无缺血心脏移植，该方法利用一套特质的灌注及保温系统，实现了供体心脏不停跳温血持续灌注保存，首例患者手术顺利，康复良好，顺利出院，该方法有望避免缺血/再灌注损伤对供体心脏的影响，为提高供体心脏质量提供了新的可能，其临床疗效有待未来更深入的临床研究证实。

4 心脏体外机械灌注存在的不足和未来展望

低温保存法仍是目前使用最广泛的供心保存方法，但该方法不可避免的会经历缺血/再灌注损伤，缺血导致组织缺氧和微血管功能障碍［35］，随后的再灌注又会引起免疫反应的激活，从而导致细胞程序性死亡［36］，这会增加急性细胞排斥反应和心脏同种异体移植血管病变的风险［37］，这些因素都将影响患者的早期和晚期生存［38］。在边缘供体和循环死亡供体心脏移植中，低温保存法的局限性已经充分显现。而心脏体外机械灌注在临床中的应用有望克服低温保存带来的问题，并已在临床研究中证实保存效果优于低温保存法。

当然目前心脏体外机械灌注仍存在一些不足，首先就是使用该系统的成本与传统低温保存法相比显著增加，这限制了该系统的广泛应用。此外应用温血机械灌注虽然兼具保存和功能评估［24］， 然而在OCS 灌注的心脏中，仍有10% ～ 30.3% 的心脏因各种原因而没有植入，其中的主要原因是功能或代谢特征异常［25］。在常温下中断冠状动脉灌注可能对供体心脏造成有害的热缺血损伤，低温氧合体外机械灌注的此类并发症相对更少，然而由于无法在静态状态下对心脏进行功能评估，并且缺乏可靠的生物标志物，移植团队难以判断低温氧合体外机械灌注所保存的供心质量，此外低温氧合体外机械灌注无法像常温机械灌注那样为体外保存的供心提供治疗的平台。目前体外机械灌注已成为器官移植领域的一大热点［39］，但在心脏移植领域目前仅有OCS 一套系统可以商品化应用，距离广泛应用仍有很多工作需要完成。

未来随着心脏体外机械灌注技术的发展，供体心脏将得到更好的保存和治疗。此外供体心脏的功能评估也将成为未来的研究热点，温血机械灌注系统允许移植团队在移植前彻底评估供体心脏功能，随着研究的深入该评估将能预测移植后的心脏功能，并将可逆的同种异体移植物功能障碍与永久性同种异体移植物损伤区分开来，以更好的指导临床团队选择合适的供体心脏用于移植。以上进步将有望使预期寿命极低的晚期心力衰竭患者享受到更好的移植后预后。

总之，心脏体外机械灌注为扩展心脏移植的供心选择提供了可能，未来需要进一步研究以优化灌注液成分，找到可靠的生物标志物，改进评估方案，探索新的供心体外治疗方法。