大鼠体外循环模型建立的研究进展

徐 宁（综述），李晓红（审校）

·综 述·

大鼠体外循环模型建立的研究进展

徐 宁（综述），李晓红（审校）

大鼠；模型；体外循环；

体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）已经广泛应用于临床心血管手术和非心血管手术。随着CPB不断的发展和完善，心脏及大血管手术得以更好的开展。但是CPB的应用还有许多需要改进的地方，围CPB期有关病理生理及血流动力学改变等还有很多不明确因素［1-5］。国内外已经建立了多种CPB的动物模型，大型动物CPB模型如：猪、狗、羊甚至兔等研究较多［6-12］，这些动物模型建立价格昂贵，操作繁琐，而大鼠CPB模型具有经济、简便等优点。理想的大鼠CPB模型还有很多优点，并且大鼠来源广泛、价格低廉、品系纯正、基因与人同源程度高、个体差异小、检测评价范围广、实验结果可靠，是一种可重复模型，近年来受到科研人员的重视［13-17］。

1 发展史

CPB由Gibbon于上世纪四十年代首次提出并实施了动物实验，随后逐渐应用于心脏外科手术［18］。1966年Popovic等［19］对55只大鼠在CPB下的实验做了最初的报道［20］，1968年，他们又对75只大鼠做了一个更广泛的描述［21］。他们在常温和低温闭合胸腔下CPB，通过对130例动物实验得出结论：要想保持CPB的流量，只有当引流管置于右心室才能获得充分的静脉引流［21］。常温下灌注心输出量的80%，低温下灌注心脏正常输出量的40%～50%，通过改变泵的输出保持平衡灌注。Subramanian等［22］开发出一种老鼠模型来评估CPB的网状内皮系统，特别是对肝脏的影响。通过CPB进行肝脏灌注，他们用全流量转流，通过中央静脉引流和周围动脉如髂总动脉灌注，他们是第一个描述采用中央静脉引流的。氧合器则采用特制的类似网状的金属套管连接右心房，预充量为120 ml，包括供者血液和乳酸林格氏液，另加入一定的碳酸氢钠以纠正代谢性酸中毒。经过氧合的动脉血通过髂总动脉返回体内，保持全身动脉血压在100 mm Hg。该实验因流量达到500 ml/（kg·min）大大超过了鼠的正常心排血量而受到质疑。1970年Triggiani等［23］报道了一个完全CPB模型。该模型的开发与实施的目标是心脏和心肺移植，它被描述为“total”转流模式，由于流量是15～20 ml/min，明显多于正常大鼠心脏输出，可能会受到质疑。建立中央静脉引流及外周动脉灌注，组成的循环包括滚筒泵、玻璃鼓泡式氧合器、过滤器及一些消泡物质。他们设计了“三叉戟状”心房套管：三个分支分别引流大鼠的三支主要静脉：大鼠的左、右上腔和下腔静脉，并阻断三个腔静脉，实现了右心房无血操作，但没有明确的说明静脉插管的方式。Triggiani等提出了阻断三个腔静脉、肺动脉，以确保所有的循环血液绕过心脏。他们假定的最优中位数只有15～20 ml/min的流量。实验得出的结论是：低温停跳在大鼠模型中是行不通的。1977年，Proctor等［24-25］简要介绍了大鼠CPB模型，说明“外科手术、生理和经济原因”，需要有一系列大量工作与一个更加标准化的模式，给出了相当详细的设计氧合方案。与众不同的是CPB使用胶体（蔗糖共聚物环氧氯丙烷）和电解质的解决方案，氧合器的体积为20～30 ml。该实验有50只动物存活，但缺乏如何存活、生存时间的信息。Alexander等［26］描述了一个长时间的微型循环（6 h）模型，采用右心房插管引流和股动脉或左侧颈内动脉灌注的部分转流模式，总的预充量是12 ml，氧合器只有4.4 ml。实验还报告了血红蛋白、红细胞比容、红细胞、白细胞和血小板在CPB期间的演变，其pH值范围7.15～7.45。Wehberg等［27］设计了新的CPB模式，可以用来评估一氧化氮在CPB中积聚的影响，但是有关氧合细节很少描述。这是一个非常大的外部容积（30 ml）非存活模型，需要使用捐赠者的血液，历时3 h，能产生一个满意的静脉引流。动脉插管通过左心室心尖部和主动脉瓣送入主动脉根部，用这种方式模仿临床主动脉根部的插管。Sasaki等［28］在1996年报道了一个部分CPB模型：颈内静脉引流和股动脉灌注。预充液是捐赠者的新鲜静脉血液、乳酸林格氏液、甘露醇和碳酸氢钠共23 ml。用一个表面积为0.05 m2氧合器，并提供2 h的充分的氧合；采用一个虹吸水平非常高（30 cm）的外周静脉血引流以加大静脉回流，其呼吸机可以实现混合气体呼吸支持。

2 研究现状

进入21世纪以来，大鼠CPB模型的研究有了新的发展。

2001年Grocott和Mackensen等［29-30］利用大鼠模型研究CPB对中枢神经系统的损伤。他们采用超声探头经食管定位，经颈内静脉置入多孔双极管，到达右心房近下腔静脉口处实施静脉引流，并用真空辅助装置，使贮血槽中保持10～40 mm Hg负压以改善引流效果。全血预充40 ml，另加6%羟乙基淀粉3～5 ml。尾动脉灌注，并实时流量计监测，保持在160～180 ml/（kg·min），接近于正常大鼠的心输出量，转流时间60 min。术后绝大多数动物生存1 w以上。Gourlay等［31］建立的模型被认为最近似于临床，该模型采用胸部和上腹部正中切口，打开心包和胸膜，充分游离并临时用血管夹阻断上、下腔静脉，置心房引流管；经左室心尖部通过心室和主动脉瓣至升主动脉置动脉灌注管。预充液包括复方林格液6 ml，贺斯5 ml，NaHCO30.5 ml。其初始转流量为90 ml/（kg·min），以后逐渐增加，平均动脉压维持在50 mm Hg左右，体温维持在37.5℃，转流持续时间60 min，但CPB后不能长时间存活。

近几年，大鼠CPB模型相继报道，其主要特色在于全流量、预充量小甚至无血预充、低温或常温心脏停搏和长期生存。2004年Dong等［32］报道了常温下全流量的大鼠CPB长期存活模型，大鼠气管插管，机械通气，静脉引流管采用内径为4 mm的穿刺管置入右心房连接的管道引流静脉血，颈动脉灌注管道1.6 mm内径流量可达到100～150 ml/（kg· min）。转机过程保持平均动脉血压为60～80 mm Hg，大鼠的心率保持在210～280次/min。使用了特殊设计的专用动物膜肺，交换面积为0.05 m2，预充量只有4 ml，血气分析的结果显示它完全可以满足60 min的灌流需氧量。这个模型的总预充量为16 ml（新鲜同种异体血液和胶体液各半），恰好为成年大鼠全身血量的一半，这和临床上的CPB较为相似。部分学者认为创伤最小化、保持胸廓结构完整是大鼠CPB后能够长期存活的重要条件［33］。de Lange等［34］通过右颈总动脉置入带球囊导管达主动脉进行阻断主动脉和冷灌心脏停搏液，导管置入后需超声定位，压力泵注气充气囊，所需设备复杂，费用高、操作难度大，且存在潜在风险，如导管置入离主动脉瓣太近，气囊充气后可损伤主动脉瓣或左心室；如果导管置入离主动脉瓣太远，则可造成头臂干内膜撕裂，很难广泛推广应用。

Kim等［35］的研究使用心脏停搏液灌注系统作为热交换器对大鼠CPB进行温度控制。停搏液灌注系统、水箱、膜式氧合器、滚柱泵组成循环系统以维持直肠低温。这种模式为进一步利用低温CPB实验大鼠提供了依据。Qing等［36］在2011年研究了在血压对CPB下大鼠脑空气栓塞影响的模型。2011年Leme［37］等开发和评估了离心泵CPB的一个新模式。模拟闭式循环系统组装，聚乙烯管、氧合器、数字流量计、压力显示器、电子驱动器和可调节的流量控制组成。Liu等［38］研究了大鼠肺动脉高压CPB模型的建立，目的是了解相关的机制和制定保护策略。Lebreton等［39］于2012年描述了在大鼠CPB下的股-股CPB，其优点是低流量和良好的围手术期生存率。这就能够很好的评价CPB的作用。Han等［40］研究与不同温度下的窒息心脏骤停后的紧急CPB复苏的啮齿动物模型，监测大鼠CPB期间产生的气体微栓子和血流动力学性质的变化并给以优化，使用的是结合动脉过滤器一体化的膜式氧合器，可以减少预充量和消除循环中的一个单独的动脉过滤器。代谢控制与CPB相结合，提高了短期到长期心脏骤停的复苏成功率［41］。心脏骤停及其后期的代谢影响极大，快速体外循环（ECPB）可立即提供纠正复苏和再灌注过程代谢紊乱的血管通路。这表明ECPB的啮齿动物模型比传统心肺复苏术更有优势，尤其是与低温相结合。在这项研究中，针对缺血再灌注损伤的新陈代谢战略（MS-IR），他们观察到低温下ECPB与常温下相比有相当大的短期利益，ECPB复苏方法在未来长期和短期的生存研究是有必要优化的。在大鼠CPB模型吸入一氧化碳可以减轻心肌的炎性细胞因子的表达［42］。评估低剂量吸入一氧化碳对CPB大鼠全身、肺和心肌的炎症反应的影响。在250 ppm的CO预处理对CPB炎症反应的调节作用，不影响血流动力学或氧输送，进一步调查CPB生存模型是必要的。有学者对抑肽酶在CPB中的作用有所研究［43］，在CPB期间发生中风的实验模型，抑肽酶减少CPB全身炎症反应。虽然没有在脑梗死体积的差异，在短期抑肽酶组的神经功能的结果，有一个小的改进。龙翔等［44］曾对大鼠模型有所构想：大鼠CPB模型创伤性小、容易存活、心脏停搏时间和体外循环时间的可控性，似乎接近理想状态，但是临床上的正中开胸、心脏直接插管等常规步骤没有实施。

3 研究展望

理想的大鼠CPB模型应该是操作简便、无血预充、主动脉顺行灌注、全流量、可控性强和存活时间长，应该是一个尽可能接近于现代临床的实验装置。它需要具备以下几方面的能力：常温或低温下的全流量循环支持［＞150～180 ml/（kg·min）］；能进行充分有效的热交换，实现中心降温和复温；连续转流1～2 h甚至更长时间，并保持适度的血液稀释和较少的血细胞破坏；预充量不超过成年大鼠的自体血量；实验动物可以获得稳定的长时间存活。在实际工作中，可根据研究目的采用不同的大鼠模型，如探讨体外管道长度及面积造成的影响时，可以采用部分CPB模型，仅改变管道长度或管径就可以保持灌注流量及其他条件一致；而研究术后一定时期内的机体病理生理反应，则必须以动物长时间存活为主要条件，因此，对动物模型的设计要求越来越合理。随着医学科技的发展，可以进一步改进循环通路各元件；进一步改良设计各插管途径甚至开胸路径；根据自己科研的需要设计出简单、合理、实用的、理想的大鼠CPB模型。

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第七届《北京五洲心血管病研讨会》会议通知

由首都医科大学附属北京安贞医院主办的第七届《北京五洲心血管病研讨会》将于2013年4月19～21日在北京国际会议中心举行。会议将设心脏内科、心脏外科、心脏麻醉、体外循环与影像分会场。

本次会议开设ECMO专场暨《第一届五洲ECMO学术研讨会》，邀请了美国、德国、瑞典、意大利及国内专家对近年来ECMO在ARDS、心源性休克、急救、研发等领域取得的进展、存在的问题及未来的发展方向进行讨论。欢迎参加！

联系人：邢家林 电话：010-64456328 13366050035

R654.1

A

1672-1403（2013）01-0057-04

2012-04-19）

2012-05-08）

安徽省自然科学基金项目（KJ2010B411）

233000安徽，蚌埠医学院第一附属医院麻醉科［徐宁（在读研究生）］