陈洁毅+徐铭恩+王玲+严明+郭淼
摘 要:器官智能和便携保存技术,是延长器官保存时间、运输距离和提高移植成功率的关键。本研究,首先研发了一套带多参数实时检测反馈的肾脏仿生脉动灌注保存系统,并基于该系统研究了猪肾在仿生脉动灌注过程中的功能损伤。研究结果证明:通过嵌入式系统动态仿真反馈调控灌注压和灌注波形,系统能实现对肾脏的全仿真脉动灌注;多种传感器可同步监测肾脏的生理指标;系统集成度高便携性强。0到24h的灌注流量结果显示,待肾脏适应低温情况后,灌注量保持稳定,随着保存延长灌注量缓慢下降。肾皮质切片结果显示,相对于单纯冷藏保存,仿生脉动灌注保存肾脏中的肾小管损伤较轻,结构保存较为完好。研究证明,肾脏实时反馈仿生脉动灌注保存,可以有效延长器官保存时间,从而增加运输距离,对我国构建器官捐赠体系具有重要意义。
关键词:器官移植;器官灌注保存;仿生脉动;肾小管损伤
引言
2012年中国“鼓励公民逝世后捐献器官”等法律条例颁布,国家人体器官捐献体系开始建立,全国范围内的移植器官捐赠、配型、调配运输工作即将开展。器官智能保存运输是器官跨医院、地区调配的技术基础,我国在智能、仿生、便携器官保存系统的研究和开发领域的工作急待展开。此外,随着医疗水平的提高和人类平均寿命的延长,器官移植的患者数量急剧增加,器官供需失衡的问题也越来越严重。缺乏有效的器官保存技术是造成器官浪费,加剧移植器官供需失衡的重要原因之一[1-2]。研究智能、仿生和便携器官保存系统对提高移植器官质量、降低器官浪费和建立国家器官捐赠移植体系具有重要意义。
目前技术条件下待移植器官的保存有效时限短,离体肾脏保存时间很难超过24-30h, 肝脏和心脏的有效保存时间更短,而且保存系统复杂庞大,对移植器官的运输和大范围调配提出很大挑战。单纯冷冻保存和机械连续灌流是近三十年来最主要的离体肾脏体外支持方法[3-8]。传统的冷冻保存方式由于具有方法简便的优点目前仍是临床供肾保存的主要方法,但是器官在单纯冷冻保存模式下的利用率并不高,也无法进行有效的生物修饰[4-5]。机器灌注保存(Continuous Hypothermic Perfusion,CHP)是现有器官体外支持技术的突破,其具有延长肾脏保存时间,提高供肾尤其边缘供肾的利用率,并能显著降低移植肾功能恢复延迟(DGF)等技术优势[6-7]。机器灌注保存发挥优势的关键在于如何实现智能化灌注,并尽量模拟肾脏体内生理环境。
在原有保存技术的基础上,文章研制了一套脉动式多参数监测的肾脏低温灌注保存系统,系统利用蠕动泵来提供灌注压,配合多种传感器配合同步监测待移植肾脏的生命指标,通过嵌入式系统动态仿真反馈精确调控灌注压和灌注波形,实现对肾脏的全仿真脉动灌注。在该系统上进行了离体猪肾的灌注实验,研究结果表明相对于传统的持续式机器灌注,全仿真脉动灌注能够更真实模拟主动脉压力波形,最小程度的减少灌注损伤。
1 肾脏低温灌注保存系统设计
1.1 系统总体结构设计
多参数脉动式肾脏低温灌注保存系统的总体结构框架如图1所示。系统主要由储肾盒、灌注动力单元、灌注通道、参数监测单元、嵌入式控制单元和人机交互6个部分构成。嵌入式控制单元是整个系统智能化运行的核心,主要由STM32F103系列微处理器和驱动电路组成,其作用是接受传感器检测的参数和键盘输入,在进行数据分析和处理后向执行器和显示器输出调节规律。参数监测单元主要由温度传感器、压力传感器,液位传感器、气泡探测器、流量传感器组成,作用是实时监测器官接受灌注时的各种生理参数,并传送给微处理器以便响应和控制。储肾盒的作用是允许肾脏容易且安全地在用于灌注、存储、分析、运输该待移植肾脏的设备之间移动。灌注动力单元提供精确调控压力源和脉动波形调整。通道控制通过控制电磁阀切换不同的灌注回路,用于排除灌注管道内的空气。人机交互部分的主要功能通过键盘键入一些参数,如灌注平均压力值,以及系统能实时通过显示屏显示灌注状态等。
1.2 灌注模块设计
灌注模块的原理框图如图2所示,该模块利用直流减速电机作为动力源驱动蠕动泵,利用蠕动泵的滚轮连续压动胶管将灌注液压入肾脏。灌注模块采用双通道设计,通过滤器、气泡检测器、气泡缓冲室、双路电磁夹管阀的组合同时实现灌注液的抽吸、过滤、氧合和去泡功能。灌注有两种模式:冲洗模式和灌注模式。冲洗模式用于灌注之前排尽管道回路内的气泡。灌注模式在管道内无气泡条件下对肾脏的离体灌注保存。两种模式可手动和自动切换。预留加药口是为了方便待移植肾脏的生物免疫修饰和提取溶液样本进行生化检查。
图2 灌注模块结构原理框图
1.3 灌注压与灌注波形的精确调控
灌注压与灌注波形的精确调控是通过反馈控制直流减速电机来实现的。电机采用MOS管驱动桥驱动,驱动桥用PWM波控制,PWM波的占空比即为直流电机在一个周期中通电时间所占的比例。而蠕动泵每转动一个滚轴,对灌注回路压入的一个单位的灌注液。因此,通过控制PWM波的频率以及占空比可以精确的控制灌注管道内的压力。灌注压与灌注波形精确调控的反馈控制过程如图3所示。在灌注开始前,根据不同类型的肾脏设定平均灌注压力值,该压力值在嵌入式控制系统内自动对应一个灌注压力波形F(t),直流电机再根据该波形匹配一定的转动频率,同时灌注管道内的压力传感器检测实际灌注压力F1(t)反馈给微处理器,修正电机转动频率,从而实现通道内的灌注压和灌注波形的全仿真动态反馈调控,对肾脏进行全仿真脉动灌注。
图3 灌注压与灌注波形的反馈控制原理框图
2 系统对猪肾的灌注保存实验
肾脏体内的功能为维持水和电解质平衡、过滤血液和排出尿液,故而我们统计肾脏的动脉灌注流量、肾静脉流出流量和输尿管分泌的尿液来衡量肾脏在灌注保存期间的功能动态。肾脏是双脏器器官,在实验中,我们同时摘取猪的左右肾,取左肾进行仿生灌注保存,同时,右肾以单纯冷藏的方式保存,作为灌注保存的对照实验。实验灌流保存猪肾24小时,统计其在0h至24h时间上的灌注的流量变化。在灌注结束后,取灌注保存肾脏和单纯冷藏保存肾脏样品做成切片后在显微镜下观察结构的区别。endprint
2.1 实验材料与方法
2.1.1 取大小相近健康状况良好家猪,腹腔切除左右肾脏。肾动脉插管,利用6℃灌注溶液冲洗,冲洗压力为1.0m至1.2m水柱高度。
2.1.2 冲洗后取左肾置于6℃灌流液,灌注保存。灌流液均采用美国Organ Recovery Systems公司的UW液,灌注压力值设为30mmHg,灌注保存24小时。
2.1.3 作为对照实验,单纯冷藏的肾脏的摘除、冲洗的过程与灌注保存时操作方式一致,只是在冲洗之后不接入仿生脉动灌注保存系统,而是以单纯冷藏的方式保存在同样温度的灌流液环境中。
2.1.4 统计灌注保存的肾脏在0h、1h、2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h时间上的灌注的流量变化,每个时间节点重复8次。
2.1.5 灌注后取肾皮质样品,用10%甲醛固定,乙醇梯度脱水后,石蜡包埋HE(苏木精伊红)染色,利用Olympus CKX41型显微镜下观察肾皮质组织结构变化。
2.2 实验结果与分析
2.2.1 离体肾脏维持24h过程中灌注流量的动态变化
灌注过程中,统计肾动脉灌注流入量,肾静脉流出量和输尿管的流量,流量单位均为用每克组织每分钟的灌注量(ml/(min·g)),通过检测流量的变化了解灌注过程肾功能动态变化的基本信息。结果进行方差分析处理,p<0.05,具有统计学意义。灌流流量和相对应的肾静脉、输尿管流量如表1所示。
表1 灌流流量表
图4 流量折线图
肾脏的主要功能是过滤血液和排出尿液,因此肾脏动脉灌入流量,肾脏静脉输出流量和输尿管输出流量变化是反映肾脏功能的重要指标,随着肾脏肾小球,肾小管结构的破坏,会造成灌注量下降。0到24h的灌注流量的结果显示如图4所示,在0到2小时,灌注量迅速下降;4小时到24小时,灌注量成缓慢下降趋势,但总体上能够保持平稳。造成这种现象的主要原因是因为,灌注开始时肾脏处于低温适应阶段,灌注流量快速下降。待肾脏适应低温情况后,灌注量保持稳定,随着灌注保存时间延长,细胞损伤逐渐累加,肾脏肾小球,肾小管结构逐渐破坏,造成灌注量成不断下降的趋势。
2.2.2 灌注与冷藏的组织切片结果对比分析
组织切片可以直观反映肾脏肾小球和肾小管结构的改变。图5、图6分别为灌注保存24小时的肾皮质组织结构显微图和单纯冷藏保存肾皮质组织结构显微图。图中,其中深色小球为细胞核,浅色结构为细胞质,白色为组织的细胞间隙。血管壁上皮细胞呈扁平或椭圆形,排列紧密;肾小管上皮细胞核大,呈圆形,在管腔外排列成环。RT为肾小管,Lu为肾小管管腔,Ve是血管管腔,CV为毛细血管,Gl为肾小球,BC为肾小囊,Gap所指血管与肾小管外周间隙。
图5显示肾小囊和肾小球结构保存良好,肾小管上皮细胞的刷状缘结构完整,细胞排列整齐,间距小。
图6为冷冻保存24小时的肾组织结构图。肾小管(RT)、肾小管管腔(Lu)受损严重,出现大量脱落的绒毛。管腔与周边组织间隙增大。
对比图5、图6可以看出仿生脉动式灌流保存的肾脏切片中肾小管细胞排列较为整齐,肾小管结构保存较为完好,而单纯冷藏保存的肾脏切片显示肾小管上皮细胞间隙之间的体积逐渐增大。故而认为仿生脉动保存系统对肾小管结构具有良好的保护效果。
3 结束语
器官灌流保存技术已有几十年的发展历史,传统的灌流方式及气动供能方式使得整个灌流系统体积庞大,操作复杂,运行不够稳定,这些局限性限制了其在临床上的应用。本研究设计出一种肾脏仿生脉动灌流保存系统,能够更真实模拟主动脉压力波形,从而最小程度的减少灌注损伤。我们在这套系统的平台上对猪肾进行了仿生灌注保存实验,验证系统在对肾脏离体保存中具有良好的保存效果,并对肾脏功能的动态变化进行了初步的研究。
2012年中国“鼓励公民逝世后捐献器官”等法律条例颁布,国家人体器官捐献体系开始建立,全国范围内的移植器官捐赠、配型、调配和移植的工作即将开展。器官保存系统是器官跨医院、地区调配的技术基础。希望由我们设计并开发的这套肾脏仿生脉动灌注保存系统能够为国家的移植事业做出应有的贡献,我们也希望越来越多的有志之士能够参与到肾脏移植的相关研究上来。
参考文献
[1]殷胜勇,葛霁光,郭淼,等.长期灌流维持肾脏功能损伤的内在机理研究[J].浙江大学学报(工学版),2006,40(8):1339-1343.DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2006.08.011.
[2]徐秋萍,陈周闻,殷胜勇,等.离体猫肾人工生命维持系统的建立[J].中国病理生理,2005,21(9):1870-1872.
[3]徐啸,马潞林.供肾的机器灌注保存及 LifePort肾转运器简介[J].中华器官移植,2009,30(9):572-573.DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-1785.2009.09.019.
[4]王小波,夏全刚,宋晓燕,等.一种新型器官保存装置的设计[J].低温与超导,2012,40(4):63-65.DOI:10.3969/j.issn.1001-7100.2012.04.0
15.
[5]郭明晓.器官保存研究进展及展望[J].医学研究生学报,2011,24(11):1216-1221.DOI:10.3969/j.issn.1008-8199.2011.11.025.
[6]赵闻雨,曾力,朱有华等.器官保存技术新进展[J].中华移植(电子版),2011,5(3):41-44.DOI:10.3877/cma.j.issn.1647-3903.2011.03.012.
[7]J.F.McAnulty. Hypothermic organ preservation by static storage methods: Current status and a view to the future.Cryobiology,60(2010),pp.S13-S19.endprint
2.1 实验材料与方法
2.1.1 取大小相近健康状况良好家猪,腹腔切除左右肾脏。肾动脉插管,利用6℃灌注溶液冲洗,冲洗压力为1.0m至1.2m水柱高度。
2.1.2 冲洗后取左肾置于6℃灌流液,灌注保存。灌流液均采用美国Organ Recovery Systems公司的UW液,灌注压力值设为30mmHg,灌注保存24小时。
2.1.3 作为对照实验,单纯冷藏的肾脏的摘除、冲洗的过程与灌注保存时操作方式一致,只是在冲洗之后不接入仿生脉动灌注保存系统,而是以单纯冷藏的方式保存在同样温度的灌流液环境中。
2.1.4 统计灌注保存的肾脏在0h、1h、2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h时间上的灌注的流量变化,每个时间节点重复8次。
2.1.5 灌注后取肾皮质样品,用10%甲醛固定,乙醇梯度脱水后,石蜡包埋HE(苏木精伊红)染色,利用Olympus CKX41型显微镜下观察肾皮质组织结构变化。
2.2 实验结果与分析
2.2.1 离体肾脏维持24h过程中灌注流量的动态变化
灌注过程中,统计肾动脉灌注流入量,肾静脉流出量和输尿管的流量,流量单位均为用每克组织每分钟的灌注量(ml/(min·g)),通过检测流量的变化了解灌注过程肾功能动态变化的基本信息。结果进行方差分析处理,p<0.05,具有统计学意义。灌流流量和相对应的肾静脉、输尿管流量如表1所示。
表1 灌流流量表
图4 流量折线图
肾脏的主要功能是过滤血液和排出尿液,因此肾脏动脉灌入流量,肾脏静脉输出流量和输尿管输出流量变化是反映肾脏功能的重要指标,随着肾脏肾小球,肾小管结构的破坏,会造成灌注量下降。0到24h的灌注流量的结果显示如图4所示,在0到2小时,灌注量迅速下降;4小时到24小时,灌注量成缓慢下降趋势,但总体上能够保持平稳。造成这种现象的主要原因是因为,灌注开始时肾脏处于低温适应阶段,灌注流量快速下降。待肾脏适应低温情况后,灌注量保持稳定,随着灌注保存时间延长,细胞损伤逐渐累加,肾脏肾小球,肾小管结构逐渐破坏,造成灌注量成不断下降的趋势。
2.2.2 灌注与冷藏的组织切片结果对比分析
组织切片可以直观反映肾脏肾小球和肾小管结构的改变。图5、图6分别为灌注保存24小时的肾皮质组织结构显微图和单纯冷藏保存肾皮质组织结构显微图。图中,其中深色小球为细胞核,浅色结构为细胞质,白色为组织的细胞间隙。血管壁上皮细胞呈扁平或椭圆形,排列紧密;肾小管上皮细胞核大,呈圆形,在管腔外排列成环。RT为肾小管,Lu为肾小管管腔,Ve是血管管腔,CV为毛细血管,Gl为肾小球,BC为肾小囊,Gap所指血管与肾小管外周间隙。
图5显示肾小囊和肾小球结构保存良好,肾小管上皮细胞的刷状缘结构完整,细胞排列整齐,间距小。
图6为冷冻保存24小时的肾组织结构图。肾小管(RT)、肾小管管腔(Lu)受损严重,出现大量脱落的绒毛。管腔与周边组织间隙增大。
对比图5、图6可以看出仿生脉动式灌流保存的肾脏切片中肾小管细胞排列较为整齐,肾小管结构保存较为完好,而单纯冷藏保存的肾脏切片显示肾小管上皮细胞间隙之间的体积逐渐增大。故而认为仿生脉动保存系统对肾小管结构具有良好的保护效果。
3 结束语
器官灌流保存技术已有几十年的发展历史,传统的灌流方式及气动供能方式使得整个灌流系统体积庞大,操作复杂,运行不够稳定,这些局限性限制了其在临床上的应用。本研究设计出一种肾脏仿生脉动灌流保存系统,能够更真实模拟主动脉压力波形,从而最小程度的减少灌注损伤。我们在这套系统的平台上对猪肾进行了仿生灌注保存实验,验证系统在对肾脏离体保存中具有良好的保存效果,并对肾脏功能的动态变化进行了初步的研究。
2012年中国“鼓励公民逝世后捐献器官”等法律条例颁布,国家人体器官捐献体系开始建立,全国范围内的移植器官捐赠、配型、调配和移植的工作即将开展。器官保存系统是器官跨医院、地区调配的技术基础。希望由我们设计并开发的这套肾脏仿生脉动灌注保存系统能够为国家的移植事业做出应有的贡献,我们也希望越来越多的有志之士能够参与到肾脏移植的相关研究上来。
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15.
[5]郭明晓.器官保存研究进展及展望[J].医学研究生学报,2011,24(11):1216-1221.DOI:10.3969/j.issn.1008-8199.2011.11.025.
[6]赵闻雨,曾力,朱有华等.器官保存技术新进展[J].中华移植(电子版),2011,5(3):41-44.DOI:10.3877/cma.j.issn.1647-3903.2011.03.012.
[7]J.F.McAnulty. Hypothermic organ preservation by static storage methods: Current status and a view to the future.Cryobiology,60(2010),pp.S13-S19.endprint
2.1 实验材料与方法
2.1.1 取大小相近健康状况良好家猪,腹腔切除左右肾脏。肾动脉插管,利用6℃灌注溶液冲洗,冲洗压力为1.0m至1.2m水柱高度。
2.1.2 冲洗后取左肾置于6℃灌流液,灌注保存。灌流液均采用美国Organ Recovery Systems公司的UW液,灌注压力值设为30mmHg,灌注保存24小时。
2.1.3 作为对照实验,单纯冷藏的肾脏的摘除、冲洗的过程与灌注保存时操作方式一致,只是在冲洗之后不接入仿生脉动灌注保存系统,而是以单纯冷藏的方式保存在同样温度的灌流液环境中。
2.1.4 统计灌注保存的肾脏在0h、1h、2h、4h、8h、12h、16h、20h、24h时间上的灌注的流量变化,每个时间节点重复8次。
2.1.5 灌注后取肾皮质样品,用10%甲醛固定,乙醇梯度脱水后,石蜡包埋HE(苏木精伊红)染色,利用Olympus CKX41型显微镜下观察肾皮质组织结构变化。
2.2 实验结果与分析
2.2.1 离体肾脏维持24h过程中灌注流量的动态变化
灌注过程中,统计肾动脉灌注流入量,肾静脉流出量和输尿管的流量,流量单位均为用每克组织每分钟的灌注量(ml/(min·g)),通过检测流量的变化了解灌注过程肾功能动态变化的基本信息。结果进行方差分析处理,p<0.05,具有统计学意义。灌流流量和相对应的肾静脉、输尿管流量如表1所示。
表1 灌流流量表
图4 流量折线图
肾脏的主要功能是过滤血液和排出尿液,因此肾脏动脉灌入流量,肾脏静脉输出流量和输尿管输出流量变化是反映肾脏功能的重要指标,随着肾脏肾小球,肾小管结构的破坏,会造成灌注量下降。0到24h的灌注流量的结果显示如图4所示,在0到2小时,灌注量迅速下降;4小时到24小时,灌注量成缓慢下降趋势,但总体上能够保持平稳。造成这种现象的主要原因是因为,灌注开始时肾脏处于低温适应阶段,灌注流量快速下降。待肾脏适应低温情况后,灌注量保持稳定,随着灌注保存时间延长,细胞损伤逐渐累加,肾脏肾小球,肾小管结构逐渐破坏,造成灌注量成不断下降的趋势。
2.2.2 灌注与冷藏的组织切片结果对比分析
组织切片可以直观反映肾脏肾小球和肾小管结构的改变。图5、图6分别为灌注保存24小时的肾皮质组织结构显微图和单纯冷藏保存肾皮质组织结构显微图。图中,其中深色小球为细胞核,浅色结构为细胞质,白色为组织的细胞间隙。血管壁上皮细胞呈扁平或椭圆形,排列紧密;肾小管上皮细胞核大,呈圆形,在管腔外排列成环。RT为肾小管,Lu为肾小管管腔,Ve是血管管腔,CV为毛细血管,Gl为肾小球,BC为肾小囊,Gap所指血管与肾小管外周间隙。
图5显示肾小囊和肾小球结构保存良好,肾小管上皮细胞的刷状缘结构完整,细胞排列整齐,间距小。
图6为冷冻保存24小时的肾组织结构图。肾小管(RT)、肾小管管腔(Lu)受损严重,出现大量脱落的绒毛。管腔与周边组织间隙增大。
对比图5、图6可以看出仿生脉动式灌流保存的肾脏切片中肾小管细胞排列较为整齐,肾小管结构保存较为完好,而单纯冷藏保存的肾脏切片显示肾小管上皮细胞间隙之间的体积逐渐增大。故而认为仿生脉动保存系统对肾小管结构具有良好的保护效果。
3 结束语
器官灌流保存技术已有几十年的发展历史,传统的灌流方式及气动供能方式使得整个灌流系统体积庞大,操作复杂,运行不够稳定,这些局限性限制了其在临床上的应用。本研究设计出一种肾脏仿生脉动灌流保存系统,能够更真实模拟主动脉压力波形,从而最小程度的减少灌注损伤。我们在这套系统的平台上对猪肾进行了仿生灌注保存实验,验证系统在对肾脏离体保存中具有良好的保存效果,并对肾脏功能的动态变化进行了初步的研究。
2012年中国“鼓励公民逝世后捐献器官”等法律条例颁布,国家人体器官捐献体系开始建立,全国范围内的移植器官捐赠、配型、调配和移植的工作即将开展。器官保存系统是器官跨医院、地区调配的技术基础。希望由我们设计并开发的这套肾脏仿生脉动灌注保存系统能够为国家的移植事业做出应有的贡献,我们也希望越来越多的有志之士能够参与到肾脏移植的相关研究上来。
参考文献
[1]殷胜勇,葛霁光,郭淼,等.长期灌流维持肾脏功能损伤的内在机理研究[J].浙江大学学报(工学版),2006,40(8):1339-1343.DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2006.08.011.
[2]徐秋萍,陈周闻,殷胜勇,等.离体猫肾人工生命维持系统的建立[J].中国病理生理,2005,21(9):1870-1872.
[3]徐啸,马潞林.供肾的机器灌注保存及 LifePort肾转运器简介[J].中华器官移植,2009,30(9):572-573.DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-1785.2009.09.019.
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15.
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[7]J.F.McAnulty. Hypothermic organ preservation by static storage methods: Current status and a view to the future.Cryobiology,60(2010),pp.S13-S19.endprint