植入式磁液悬浮心室辅助装置的动物长期体内评价研究

许剑，范庆麟，朱尘琪，赵廷彪，刘晓程，刘志刚，陈铁男，张杰民

1.航天泰心科技有限公司，天津 300457；2.泰达国际心血管病医院 心外科，天津 300457

引言

心力衰竭已成为全世界重要的公共卫生问题，我国心衰发病率近1%，每年新增发病数可达数百万，随着老龄化的加剧将日益严重。终末期心力衰竭患者药物治疗效果不佳，最有效的心脏移植受供体所限难以成为常规治疗方法。

心室辅助装置（Ventricular Assist Device，VAD）作为在心脏供体严重受限情况下的一种心衰有效治疗方法，在欧美等发达国家应用广泛，可以作为晚期心衰患者的过渡到恢复、过渡到移植以及终点治疗。本研究采用我国自主研发的HeartCon型植入式磁液悬浮心室辅助装置（以下简称为“HeartCon血泵”）建立左心辅助动物实验模型，为国产心室辅助装置的临床应用提供有效的评价依据。

医疗器械动物实验的主要目的是研究医疗器械的安全性，在研究过程中是否能建立一个符合性较好的动物模型是本实验能否成功的关键所在。在动物实验模型建立适当的情况下，有效性研究也可以作为医疗器械动物实验的重要内容，即实验器械的实际使用情况和预期用途的符合性，进而作为是否可以转入人体进行临床研究的辅助参考。

1 材料与方法

1.1 实验动物的选择

鉴于心室辅助装置植入部位（心尖）的特殊性并参考国际上VAD的体内评估经验，该装置在进行动物实验时不能选用常规的兔、鼠等中小型实验动物，国际左心辅助实验动物一般选择猪、牛、羊等大动物。本实验选择12月龄至3年、体重70～100公斤的健康改良小尾寒羊（n=6）作为实验动物[1]，体重大小和人体接近，适合用于人体的体外循环管道、储血罐和氧合器[2]。实验动物的管理符合《实验动物管理条例》（2017年3月1日修正版）。

本实验项目通过泰达国际心血管病医院实验动物福利伦理审查委员会的审查，伦理批号为TICH-JY-20171107-1。

1.2 实验器械的准备

植入式磁液悬浮心室辅助装置主要由血泵[3]、控制器、供电设备、植入手术用组件、植入手术用工具、人造血管保护架、附件及监控软件组成。血泵主体由钛合金制成，具有良好的生物相容性[4]。实验用器械的质量管理体系符合《医疗器械生产质量管理规范》、YY/T0287-2018 idt ISO 13485:2016、GB/T19001-2016 idt ISO 9001:2015及其它适用法律法规、标准。

1.3 实验方法的建立

在泰达国际心血管病医院动物实验中心的标准层流动物手术室内完成所有手术操作。根据ANSI/AAMI/ISO 14708-5:6.111的要求进行器械体内评测。

1.3.1 麻醉和术前准备

术前禁食24 h，禁水12 h。备皮，进行剪毛处理。静脉复合麻醉前60 min肌肉注射长托宁2 mg，麻醉前30 min应用陆眠宁0.6～1.0 mg/kg肌肉注射。手术切口区域皮肤用2%葡萄糖酸氯已定醇皮肤消毒液擦拭两遍后，用碘伏消毒两次。大隐静脉穿刺，留置静脉通路。连接心电监护设备监测心率变化。左耳中动脉穿刺保留动脉置管，连续监测动脉血压。给予氯胺酮1 mg/kg静脉注射，待羊睫毛反射消失后进行诱导气管插管和中心静脉穿刺。

1.3.2 建立心室辅助模型

由于羊的胸腔形态和人体存在一定差别，其胸腔左右窄、前后宽，手术宜采用侧胸切口。故经左侧第五肋间进胸，显露主动脉弓降部、降主动脉、心脏和肺动脉。剪开心包，显露心脏及心尖部位，选择合适的HeartCon血泵植入位置并标记，完成人造血管远端与降主动脉切口的端侧吻合（图1）。观察吻合口是否渗血或出血。理顺人造血管，无扭曲和打折。

图1 人造血管与降主动脉的吻合

根据心尖位置，将HeartCon血泵导线于第六肋间引出至肋骨上方。充分暴露心尖，在心尖选择心室缝合环的适宜部位间断缝合（图2）。

图2 心室缝合环的缝合

用小尖刀十字切开心室缝合环内心肌，采用自制心室打孔器完成心尖打孔，将血泵迅速插入心室，调整血泵位置满意后旋紧螺丝。随后启动血泵，将转速设置为2300～2500 rpm，排气后开放人造血管，完成左心室到降主动脉的辅助循环（图3）。

图3 HeartCon血泵植入

将超声流量探头（型号9PXL, Transonic System, Ithaca,NY, USA）套于人造血管外，监测HeartCon血泵流量。认真检查各处切口，充分止血后置胸腔引流管。调整呼吸机参数同时肺膨胀满意后，逐层关胸至术终。HeartCon血泵的左心辅助动物模型建立完成。

1.3.3 术后治疗、护理

术后早期将实验动物置于术后固定架中，停留于手术室内，以连续监测主动脉压和泵流量，并观察动物是否出现任何痛苦迹象。拔管后12 h内，实验动物被允许进食。待实验动物的生命体征稳定、血泵正常运转后，转移至动物ICU内，进行常规监护和治疗，并定期进行常规血液学和生化检测，检测频率为术后前两周每天检测，如情况稳定随后每周检测一次直至实验终止。检测项目包括但不限于白细胞、红细胞、血红蛋白、红细胞压积、血小板计数、游离血红蛋白、白蛋白、总胆红素、结合胆红素、乳酸脱氢酶等[1,5]。

1.3.4 实验终止策略

HeartCon血泵植入后实验动物存活90天即达到研究终点，可按实验计划实施终止实验：静脉加深麻醉，肝素3 mg/kg静脉注射。3 min后，10%氯化钾快速静脉推注，实施实验动物的安乐死[6]。如果实验动物遭受痛苦或意外的痛苦（不是实验本身引起的，且是实验开始前未预料到的），应实施仁慈终点，提前进行安乐死。

安乐死实施完成后，停泵，对实验动物的外表皮及经皮导线出口位置进行检查并拍照。开皮，检查经皮导线通道并拍照。肉眼观察心脏、肺、肝、脾、肾、胃肠、脑等主要脏器有无梗死或病变，并对其进行拍照和常规组织学病理切片检查。注意观察血泵入口通道和出口人造血管、主动脉、心室内是否存在纤维蛋白鞘或血栓，仔细观察泵内是否有血栓。

2 结果

2.1 实验动物

截止至2018年5月11日，6只左心辅助实验动物均健康存活超过90天（图4）并均已接受安乐死（实验动物信息，见表1），其中5只存活超过150天，最长健康存活超过180天，整个研究过程遵守动物福利制度。

图4 研究团队与6只实验动物合影

表1 实验动物信息

选取术前、术后第0（术后第1天）、2（术后第14天）、4、6、8、12周的血液及生化结果进行统计分析。血液学结果显示术后经抗炎治疗白细胞水平得到良好控制，术后2周逐渐恢复至正常水平；红细胞、血红蛋白和血小板总量及红细胞压积由术后早期的较低水平逐步升高；血浆游离血红蛋白始终维持在正常范围，围术期该指标均低于61 mg/L（即6.1 mg/dL）；凝血指标显示其凝血酶原时间国际标准化比值在1.2～3.5范围内。生化结果显示尿素、肌酐、丙氨酸氨基转移酶、白蛋白、天门冬氨酸氨基转移酶、胆红素、γ-谷氨酸转肽酶及乳酸脱氢酶含量在围术期均有不同程度的升高，术后两周逐渐恢复并维持正常水平至实验终止，这几项指标共同说明了植入HeartCon血泵后实验动物的肝肾功能并未受到明显影响。

实验动物术前及术后主要生理指标检测结果的统计数据，见表2。

表2 实验动物术前及术后的血液学和生化数据（平均值±SD）

2.2 HeartCon血泵

在体植入期间运行正常（图5），未出现任何与血泵性能相关的报警事件，HeartCon在体重要血流动力学参数变化范围，见表3。

图5 4号实验动物存活165天时的X光片

表3 HeartCon在体重要血流动力学参数的变化范围（±s）

表3 HeartCon在体重要血流动力学参数的变化范围（±s）

动物序号 主动脉压 (mmHg)泵流量 (L/min)平均转速 (r/min)1 83.5±6.1 1.8±0.5 2532±75 2 78.1±7.5 1.1±0.4 2480±39 3 85.2±6.3 1.0±0.3 2507±42 4 83.8±4.6 1.3±0.4 2520±67 5 82.0±6.7 1.9±0.4 2587±65 6 79.8±13.3 1.1±0.3 2497±52

观察HeartCon血泵的入口及出口管路（图6），除1号因手术原因出现人造血管近主动脉端狭窄变形外，其他实验组均未见血栓等异常。泵内均无血栓。

图6 HeartCon血泵出入口管路解剖图

2.3 组织学检查

经皮导线出口处均存在少量分泌物，但周边皮肤弹性良好，与丝绒生长紧密；除1号实验动物皮下隧道发现部分脓性分泌物外，其他实验动物的皮下通道光滑，无分泌物（图7）；肾脏均有不同程度的局部梗死（图8），但生化结果显示其肾功能处于正常范围内，且有实验证明[7]该病变不会对动物健康产生重大影响。1、3、4、6号心内膜存在增生现象（图8），其他组织和脏器未见异常病变。

图7 经皮导线通路

图8 异常组织的病理结果

3 讨论

心室辅助装置是国际公认的心衰治疗手段，FDA已批准多款产品用于心衰患者的过渡治疗甚至终生辅助治疗，并已在多个发达国家被纳入医保。但在中国，国外产品不但价格昂贵大部分患者无力负担，并且还未通过国家食品药品监督管理总局的注册审批。目前国内尚未有国产化的同类器械上市销售，因此HeartCon血泵作为拥有独立自主产权的国产心室辅助装置，其顺利研发和上市能为心衰患者提供有效支持和帮助，不仅救治生命，还能提高生存质量。

对于HeartCon血泵这种三类医疗器械来说，安全性是首要考虑的因素。GB/T16886系列标准规定的试验方法和直接植入后的试验方法相比较，后者更接近于客观实际，植入性器械进行临床研究前仅采用前者的方法对受试者而言存在很大的风险性。这也就是25号令（《医疗器械临床试验质量管理规范》）中要求进行动物试验的原因，不能用生物相容性试验替代动物实验。当然，由于动物实验和生物相容试验过程中存在大量不可控制因素，加之动物实验模型与人体反应的差异，以及人体本身的个体化差异，使动物实验和生物相容性试验存在一定的局限性。因此，医疗器械临床研究阶段才是其有效性验证的关键阶段，也是安全性的另一验证阶段。

在动物实验准备阶段，除了选择合适的动物品种外，根据3R原则确定适当的动物数量有利于证明实验结果的科学性及有效性，参考国内外同类产品的体内实验经验[7-8]：无论是适用于儿童植入的Jarvik 2000[9]或目前世界上应用非常广泛的HeartWare[1,6-7]、HeartMate系列[10]，均采用了6只动物作为实验对象。综合上述研究设计经验，本研究的实验动物数量确定为6。

关于实验终点的确立，研究前对国内外同类文献资料进行了总结，发现国外相关研究一般将实验终点设置为术后存活30～100天[1,9,11]，而国内左心辅助装置在进行实验时通常设置为术后存活30～60天[12-13]，基于对以上信息的分析和对HeartCon血泵的性能评估，本研究将实验终点设定为术后存活至少90天。此外，在过往国内VAD的体实验动物研究中，已报道的最长存活个例为135天[14]，而在本研究中，除2号实验动物因研究需要在到达实验终点后立即实施安乐死外，其他5只均存活超过150天，其中5号实验动物存活180天，为HeartCon血泵的长期植入提供了安全性及有效性的支持依据。

在医疗器械的全生命周期内，质量控制是关键[15-16]。除建立标准化质量管理体系外，证明器械安全性和有效性的各项测试及实验也需要符合相关法规标准。就本研究中的动物实验而言，选择合适的实验动物，建立规范的动物术前、术中和术后操作护理SOP，制定以3R原则为基础的动物福利制度，从而保证动物实验结果的真实性、规范性和可靠性，为后续临床试验奠定基础。

4 结论

综上所述，HeartCon型植入式磁液悬浮心室辅助装置的动物实验研究在参考国内外相关研究经验的基础上，严格遵照有关法律法规及标准的要求，制定并执行规范化SOP，确保研究的科学性和结果的真实性。在体植入期间，实验动物的生理和精神状态良好，血液及生化指标基本在正常范围内，并未出现任何与设备相关的故障事件，实验终止后解剖结果显示植入的HeartCon血泵并未对动物重要脏器及组织造成过大损伤，即使植入长达180天也并未产生血栓，具有良好的生物相容性和稳定的机械性能。该研究为HeartCon的临床前评价提供了强有力的技术支持，并为后期临床应用积累了宝贵的理论及实践经验。

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