大鼠静脉-动脉体外膜氧合模型研究进展

薛平菲，于 洁，黑飞龙

作者单位：266041青岛，青岛大学医学部，青岛市中心医院，麻醉科（薛平菲）；100037北京，北京协和医学院，中国医学科学院，国家心血管病中心，阜外心血管病医院，心血管疾病国家重点实验室，体外循环中心（于 洁，黑飞龙）

体外膜氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）是在心肺转流（cardiopulmonary bypass，CPB）技术的基础上发展起来的一种可同时进行心肺系统辅助的体外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）技术［1-5］。 近些年来，因其具有设备相对轻便、心肺支持治疗时间较长的优点，以及良好的心肺复苏及神经系统保护能力，ECMO在急性肺损伤、心脏移植、难治性心源性休克及心脏骤停等重症患者中的使用日益广泛［6-8］。为了促进该技术的发展，国内外学者建立了包括羊、狗、猪等大型动物的ECMO模型，但存在造价昂贵、操作复杂、耗时较长等缺点［9-13］。大鼠因来源丰富、价格低廉、操作相对简单及心血管系统与人类相似等特点，常用于研究心血管疾病的病因及病理生理机制，是适合用于制作ECMO实验模型的小动物［14-17］。因此，关于大鼠ECMO模型的研究逐渐增加，现将大鼠ECMO模型的研究现况和进展做一综述。

1 ECMO模型概述

1.1 ECMO模型的起源 ECMO的运行机制是通过使用改进的心肺旁路来为危重患者提供呼吸及循环支持，故ECMO模型也是在传统CPB模型的基础之上进一步发展形成的。1954年，Gibbon首次提出CPB模型并应用于动物实验［18］。随后，Trigganni等建立了一个大鼠心肺移植手术的CPB模型，该模型的应用将CPB的灌注时长延长至2 h，且降低了早期模型因使用大容量氧合器造成的肺水肿及灌注时间短等问题的发生率［17］。随着CPB技术的蓬勃发展，有学者开始尝试建立相对简便的大鼠CPB模型。1978年，Proctor等设计了一种使用小型心肺机对大鼠进行部分循环支持的新型循环模型，开启了大鼠ECMO模型研究的新纪元［19］。

1.2 ECMO模型的分类 根据血液引流及灌注的途径不同，ECMO一般分为两种类型，即从静脉引出并由动脉灌注回大鼠体内的静脉-动脉（veno-arterial，V-A）ECMO模式及从静脉引出并由静脉灌注回大鼠体内的静脉-静脉（veno-venous，V-V）ECMO模式。其中，V-A ECMO对呼吸及循环系统同步辅助支持，而V-V ECMO仅对呼吸系统进行辅助支持。

2 ECMO模型的建立

2.1 动静脉置管的常用位置 在建立大鼠V-A ECMO循环模型时，静脉插管的途径有：颈静脉、股静脉及其他。动脉插管的途径有：股动脉、尾动脉、颈动脉及其他。

2.2 预充方式的分类 根据ECMO循环通路中预充液体的不同将预充方式分为两种类型，即使用新鲜大鼠全血的全血预充方式及单纯使用胶体或晶体的无血预充方式。循环中预充液体总体积较大时，为避免预充液体过度稀释大鼠血液，造成大鼠血流动力学不稳定，常选用全血预充方式。循环中预充液体总体积较小时，可选用胶体或晶体进行无血预充。

2.3 ECMO循环通路的组成 在大鼠ECMO循环模型中，常见的循环通路由滚动泵或蠕动泵、小动物专用膜肺、热交换器及膜肺配套管路等组成。根据实验目的的不同，研究者可对循环通路的设备及管路进行调整。

2.4 温度控制的常用方法 根据ECMO模型温度控制部位的不同，控温方法可分为三种类型，分别是对循环通路内液体温度、大鼠本身体温及操作室内温度进行控制。对循环通路控温的方法，即在循环通路中增加变温器及循环水箱等设备，以达到控制大鼠回输液体温度的目的；对大鼠本身控温的方法，即使用加热灯照射大鼠体表、手术操作台上放置可控温加热毯等设备，以达到控制大鼠自身温度稳定的目的；对操作室控温的方法，即调节室内空调温度及使用对流空气加热系统等，以达到调整室内温度至目标温度的目的。

2.5 ECMO模型常用监测 根据大鼠ECMO模型实验目的需要，常用监测一般分为两个部分，即对大鼠血流动力学的监测及对大鼠机体状态的监测。大鼠血流动力学监测指标有：血压、心率、心电图及其他。大鼠机体状态监测指标有：肛温或食管温度、呼吸频率、呼气末二氧化碳浓度、血气分析及其他。目前常选用股动脉或尾动脉对大鼠进行有创血压监测。

2.6 建模过程中的主要问题 ECMO模型中复杂的实验程序及对实验者显微外科技术的要求是该模型的主要限制因素，动静脉置管的设计及操作是模型建立的重点和难点，静脉引流量不足或因操作导致大鼠失血量过多是建模失败的常见原因。为了解决静脉引流量不足的问题，Rungatscher等［20］提出在循环通路中使用负压调节器，以产生巨大负压增加静脉引流的方法；曾庆东等［21］提出修改静脉套管的形状或置管位置改善引流的方法。为了避免大鼠失血量过多的问题，秦科等［22］使用显微外科技术进行大鼠动静脉置管，具有手术切口小、建模操作难度降低等突出优势；Xie等［23］提出通过维持深麻醉、血管插管端使用小剂量肌松药提高置管成功率及置管退针芯后再松血管夹等方法；Warenits等［24］研究出一种尖端具有抗侵入特性的专用插管，并于置管后在管路上利用封闭椎体连接远近两端，以解决静脉置管过程中因操作不当或动作粗暴造成的大鼠外周静脉或下腔静脉组织受损，可有效降低插入及移除静脉插管期间失血及空气栓塞的发生率。这些方法成功提高了实验建模的成功率。

3 ECMO模型的应用

3.1 研究ECMO治疗急性肺损伤 张炳东等［25］报道了ECMO对内毒素诱导下大鼠急性肺损伤的早期治疗效果。研究者建立全血预充的右颈外静脉-右股动脉V-A ECMO通路，大鼠全身肝素化后在维持平均动脉压90 mm Hg的条件下对呼吸系统进行辅助支持。术后处死大鼠并取肺组织进行病理染色，观察及测定，证实ECMO早期治疗可有效改善肺组织缺氧状态，有利于肺功能的恢复，有效减轻肺水肿及肺组织细胞凋亡，是急性肺损伤的有效疗法。

3.2 研究 ECMO治疗终末期肺疾病 Dorrello等［26］报道了大鼠在ECMO辅助下构建功能性肺，治疗终末期肺疾病的新方法。研究者建立V-A ECMO通路，对大鼠提供呼吸及循环支持，经气道输注脱细胞溶液进行肺洗脱后，保留肺细胞外基质并维持肺组织血流灌注，随后，使大鼠自身干细胞附着生长，构建功能性肺以治疗终末期肺疾病。

3.3 研究ECMO治疗难治性心源性休克 Peterss等［27］报道了在ECMO辅助下治疗大鼠急性心肌梗死的方法。研究者将大鼠心脏前降支动脉结扎以诱导心肌缺血，大鼠心肌缺氧缺血30 min后行再灌注治疗。在再灌注前5 min，ECMO组建立羟乙基淀粉预充的左颈静脉-尾动脉V-A ECMO通路，ECMO辅助支持下再灌注治疗后，移除ECMO通路并观察。根据大鼠的血流动力学表现，发现与常规治疗相比，ECMO辅助治疗有助于改善左心室射血分数，为治疗急性心肌梗死提供了新方向。

3.4 研究 ECMO 治疗心脏骤停 Magnet等［8］报道了使用ECMO伴亚低温干预，进行ECLS治疗大鼠心脏骤停的方法。研究者使用电击法致大鼠室颤性心脏骤停，停循环10 min后开始抢救，ECMO组建立晶体预充的右颈静脉-右股动脉V-A ECMO通路辅助支持呼吸及循环系统，CPR组进行传统心肺复苏抢救，自主循环恢复30 min后停止ECMO循环，随后对ECMO组大鼠进行12 h亚低温治疗，观察大鼠的14日存活情况。根据两组大鼠术后存活情况，可发现ECMO伴亚低温可实现100%复苏率及较高的长期存活率，明显优于传统心肺复苏。

4 展望

ECMO现常用于各种心肺功能衰竭、心脏骤停后心肺复苏及慢性疾病或器官移植等需要长期生命支持的疾病。开发综合支持系统、克服抗凝治疗需求、完善长期植入式或体外肺部支持系统、以及防治ECMO相关并发症等问题是未来亟待研究的重点，而实验动物ECMO模型的建立有助于ECMO技术的深入研究及推广。

因该模型建模难度较大，研究成员需要经验丰富的研究者的指导，足够时长的练习并保持此类实验的常规化才能提高建模的成功率。在实际建模时，研究者应根据不同的研究目的对模型进行调整和改良。相信随着科学技术和材料的不断发展及对ECMO模型的深化研究，研究者可以进一步改良循环通路中的各个环节，发掘更好的通路途径，使大鼠ECMO建模操作过程不断简化并更贴近临床实际，进一步促进ECMO技术的发展及应用，为危重患者带来希望及福音。