常用心脏保存液及其改良方法

终末期心力衰竭是心源性死亡的主要原因[1-2]。药物治疗对大多数终末期心力衰竭患者的疗效欠佳，心脏移植被认为是终末期心力衰竭最有效的治疗方法[3]。随着外科技术和免疫抑制剂的发展，心脏移植手术成功率显著提高，但由于器官捐献数目有限，心脏移植在心脏外科领域的发展受到限制。近年来心脏移植的需求增大，而每年移植的例数却只增加5.2%[4]。因此，有必要将处于心脏移植标准边缘的供体心脏，如老年人心脏、长期暴露与冷缺血时间较长(>4 h)的心脏、脑死亡后儿茶酚胺释放量较高的患者心脏，逐渐纳入心脏供体池。心脏保存液的改良对于扩大移植心脏供体池极为关键。

1 心脏保存液的概况

低温保存是现阶段供体心脏保存的最佳方案，低温可减缓细胞与组织代谢，在4℃时，器官代谢可降低至8%～9%[5]。尽管低温保存方法便捷有效，但移植器官必须承受冷缺血再灌注损伤。与肝脏和肾脏不同，心脏对冷缺血的耐受性差，安全保存期只有4～6 h。若供体心脏存放时间超过6 h，冷缺血将对心脏本身的功能以及移植后的疗效产生不利影响[6]。目前，最常用的心脏保存液有HTK液、Celsior液、UW液等。自20世纪90年代以来，这些心脏保存液已被广泛应用于符合心脏移植标准的供体心脏，但对于移植标准边缘的供体心脏来说可能并不理想[7]。因此，有必要研究新的移植心脏保存液，以减少供体心脏的冷缺血再灌注损伤，延长器官的安全保存期，扩大移植心脏的供体池。

2 常用心脏保存液

2.1 UW液

根据钾离子(K+)浓度的不同，心脏保存液可分为细胞内液型保存液和细胞外液型保存液，UW液属于细胞内液型保存液。UW液最初是为保存胰腺而设计的，目前已用于其他器官的保存[8]。UW液最大的优点在于它的K+含量高，可以使心脏迅速停跳，目前仍然作为各种新型心脏保存液之间比较的金标准[9]。但UW液K+含量高，UW液保存的供体心脏在再灌注后，会有大量高钾溶液释放到血流中，引起高血压和心动过缓。UW液包含高能磷酸盐前体(腺苷和磷酸盐)、渗透剂(乳糖酸和棉子糖)和抗氧化剂[别嘌呤醇和谷胱甘肽(GSH)]。这些成分可以减轻细胞水肿和氧自由基介导的氧化损伤。然而UW液粘度较高，不利于保存液对心脏的快速及充分灌注，间接地损伤了内皮细胞与心肌细胞。Kofler等[10]对960例心脏移植患者进行了回顾性分析，发现与HTK液相比，采用UW液保存供体心脏的移植患者存活率明显提高。美国联合器官共享网络数据库对2004年至2009年的4 910例心脏移植患者进行回顾性分析，结果显示采用Celsior液保存供体心脏的移植患者30 d生存率为95.4%，1年生存率为84.1%，采用UW液保存供体心脏的移植患者30 d生存率为96.7%，1年生存率为94.3%[11]。

Alvarez-Ayuso等[12]在UW溶液中加入硝苯地平和尼可地尔，发现新的心脏保存液可以改善猪心脏的氧化应激状态和内皮功能。硝酸甘油在血管壁中代谢后可产生一氧化氮(NO)，NO激活鸟苷酸环化酶，增加内皮细胞的环磷酸鸟苷(cGMP)水平并降低细胞内钙离子(Ca2+)浓度，从而扩张血管平滑肌。此外，硝酸甘油还可以直接作用于肌细胞，刺激环磷酸腺苷(cAMP)依赖性蛋白激酶，增加心肌收缩力。尼可地尔具有双重作用，作为硝酸盐，尼可地尔与硝酸甘油类似，可降低心脏前负荷(硝酸盐效应)；作为三磷酸腺苷(ATP)敏感性钾通道，尼可地尔可增加细胞K+外流，抑制Ca2+内流，促使细胞膜超极化，缩短动作电位持续时间，舒张血管平滑肌，降低心脏后负荷(K-ATP通道开放效应)。

Tambyraja等[13]研究发现，UW液中加入的GSH虽可作为抗氧化剂和氧自由基清除剂，但改变了细胞外氧化还原环境，加重了氧自由基介导的氧化损伤和冷缺血引起的内皮功能障碍。亚硝基谷胱甘肽(GSNO)没有类似于GSH的细胞毒性，在几小时内即可产生NO，引起血管持续舒张(>48 h)，这有助于移植后心脏的早期持续灌注。

Yan等[14]用木犀草素和UW液处理大鼠心肌细胞6 h后，细胞内Ca2+浓度降低，心脏保存时间延长。细胞内Ca2+超载可导致细胞死亡和氧自由基增加，木犀草素可能通过改变钙稳态调节蛋白，抑制大鼠心肌细胞内Ca2+超载，调节心肌细胞钙循环。

2.2 HTK液

HTK液与UW液相比，最主要的优势在于黏度低，可迅速扩散到组织间隙，器管再灌注前不需要预先冲洗，价格也更低[15]。HTK液属于细胞外液型溶液，K+浓度仅为9 mmol/L，可减轻高钾对内皮细胞的损害，但由于K+浓度低，HTK液无法快速诱导供体心脏停跳，心肌细胞电活动的停止需要消耗更长的时间和更多的能量。HTK液也含有组氨酸、组氨酸盐缓冲系统以及色氨酸等非渗透性因子，可避免细胞水肿，组氨酸对细胞具有毒性作用，色氨酸可抑制组氨酸进入细胞内。HTK液还包括氧自由基清除剂(甘露醇)和高能磷酸化合物的底物(α-酮戊二酸和色氨酸)。Ku等[16]和Lee等[17]研究认为，HTK液对心脏的保护作用优于UW液和Celsior液。

Jacob等[18]研究证实，向HTK液中加入1%人白蛋白可显著减少缺血4 h后猪内皮细胞的内皮糖萼(EG)的脱落。EG与天然血浆蛋白一起形成内皮表层，是血管屏障的关键组成部分，可预防再灌注早期内皮细胞局部的炎性反应，延缓抗原依赖性移植血管病变的发展。心脏缺血后，EG的缺损会导致冠状动脉内白细胞黏附和内皮细胞水肿。

Tan等[19]发现，富含氢气(H2)的HTK液能显著促进移植心脏血流动力学参数的恢复，还可通过抑制冷缺血诱导的氧化应激、炎性因子释放与细胞凋亡，改善供体心脏的保存效果。HTK液中的甘露醇可以消除游离氧自由基，但H2是一种独特的气体抗氧化剂，能选择性地清除氧自由基ROS-OH和ONOO-，而且H2是电中性的，可以轻易穿透细胞膜进入细胞，到达细胞核和线粒体等细胞器，这些细胞器是氧自由基产生和DNA损伤的主要部位[20]。

器官保存过程中缺血和低温会对心脏造成损伤，冷缺血和铁依赖性损伤是供体器官氧自由基的主要来源。降低保存液中胞外氯离子(Cl-)浓度可改善铁依赖性损伤。Koch等[21]尝试用N-α-乙酰组氨酸替代部分组氨酸以降低氯化物浓度，并添加L-精氨酸，发现新的HTK溶液可明显改善移植后心脏的收缩和舒张功能。组氨酸已被证明可促进铁诱导的脂质过氧化反应，启动细胞炎性反应。Wu等[22]在上述改良方法的基础上加入两种铁螯合剂(去铁胺和LK 614)以减少游离铁的含量，加入甘氨酸和丙氨酸以抑制心肌细胞的钠离子(Na+)内流，用无渗透性的蔗糖替代传统HTK溶液中的甘露糖醇，发现新的HTK液与传统的HTK液相比，冷缺血诱导的小鼠心肌损伤显著减少，移植物存活率明显改善。在这种新的HTK液中，去铁胺是一种强效铁螯合剂，但膜通透性差，可减少心肌细胞内羟基自由基；LK 614是更小、亲脂性更强、更易透过细胞膜的异羟肟酸衍生物，可以与细胞内铁结合。

2.3 Celsior液

Celsior液属于细胞外液型保存液，使用Celsior液保存供体心脏的移植患者最显著的特征是术后血管病变和慢性排斥反应的发病率低[23]。但也有文献报道，使用Celsior液保存供体心脏的移植患者右心衰发生率较使用UW液保存供体内脏的移植患者明显升高[24]。Celsior液中K+浓度低，Na+、镁离子(Mg2+)浓度较高，pH值较低，含有组氨酸/乳糖醛酸缓冲系统和还原性谷胱甘肽、组氨酸、甘露醇等羟自由基清除剂，可避免高钾介导的细胞损伤，减少心肌细胞内Ca2+浓度，防止细胞水肿和酸中毒，清除氧自由基[25]。De Santo等[26]发现，使用Celsior液保存供体心脏的200例心脏移植患者的院内死亡率为8%，1年死亡率仅为12%。

Jabbour等[27]研究表明，对于缺血6 h再灌注模型，在Celsior液中加入神经调节蛋白-1(NRG-1)能促进供体心脏的心功能恢复；对于缺血10 h再灌注模型，在Celsior液中加入NRG-1、三磷酸甘油酯(GTN)和选择性Na+/H+通道抑制剂Cariporide能进一步促进供体心脏的心功能恢复。NRG-1可维持心脏结构和功能的完整性，激活蛋白激酶B(AKT)、细胞外信号调节激酶(ERK)、信号转导子和转录激活子3(STAT3)、糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)，下调胱天蛋白酶-3的表达，减少心肌细胞凋亡和坏死。

Kwan等[7]根据心脏保存液的不同，将大鼠心脏移植模型分为Celsior组、GTN组、Cariporide组和GTN+Cariporide组，发现在心脏再灌注后，Celsior组心脏中存在的坏死和凋亡标志物并未在GTN组、Cariporide组和GTN+Cariporide组中检测到。GTN和Cariporide可能通过线粒体发挥心脏保护作用。线粒体功能的快速恢复被认为是缺血再灌注损伤后心脏恢复的重要因素，当线粒体膜通透性增加时，释放的细胞色素C组成凋亡体[28]。GTN可使线粒体膜通透性转换孔(MPTP)短暂开放，通过预处理效应防止再灌注期间MPTP开放的失控[29]。Cariporide是NHE-1抑制剂，可激活线粒体ATP敏感性钾通道，减少缺血时ATP的损失，抑制线粒体超氧化物产生，缩短缺血期间MPTP的开放时间[30]。

Watson等[31]在Celsior液中加入红细胞生成素(EPO)，发现大鼠在心脏移植6 h后心输出量恢复到(52.5±11.3)%，但Celsior液中不加EPO，心脏移植后大鼠心输出量仅恢复到(2.5±0.4)%。这种差异可能与乳酸脱氢酶(LDH)释放减少和STAT3磷酸化水平增加有关。EPO通过生存激活因子增强(SAFE)途径降低LDH释放并增强STAT3的磷酸化水平，从而保护心肌细胞。LDH稳定存在于细胞中，当细胞膜破损时LDH释放，因此LDH可作为心肌细胞死亡的标志物，其在冠状动脉流出液中的水平与溶解细胞数量呈正相关。该研究还发现，对于保存10 h以上的移植心脏，保存液中同时加入EPO、GTN和Zoniporide，可以进一步促进心功能的恢复。

Wei等[32]研究表明，在Celsior液中加入补体3、半胱氨酸蛋白酶-8、胱天蛋白酶-3和核因子κB-p65的小干扰RNA(siRNA)，将供体心脏移植到宿主后可减少心肌损伤和组织炎性反应与坏死。

3 小结

改善供体心脏的保存技术涉及多个方面，其中心脏保存液的合理选择与使用最为重要。目前，心脏保存液种类较多，但何种心脏保存液的效果最佳尚未达成共识。大多数的心脏中心和心脏外科医生根据其临床实践进行判断。UW液、HTK液和Celsior液等心脏保存液的研发时间较早，有必要结合冷缺血再灌注损伤的近期研究成果，改善其组成成分，以减少供体心脏的离体损伤，提高患者移植术后的近期和远期生存率。

早期对供体心脏保护机制的研究仅限于心肌细胞，通过观察心肌细胞的坏死和炎性反应，判断心脏结构与功能的完整性。近期研究发现内皮细胞在心脏功能保护中有同样重要的作用。内皮细胞功能障碍导致胞内NO生成减少，内皮素-1(ET-1)合成增加，造成血管痉挛，血小板和中性粒细胞黏附，毛细血管阻塞和血流不均匀[33]。冠状动脉结构与功能完整性的破坏可导致抗原依赖性移植血管病变，维持其结构与功能的完整性可显著提高移植后宿主的长期生存率。因此调整保存液成分，使其同时作用于心肌细胞与内皮细胞，可显著增强对供体心脏的保护作用。

本文所述的几种心脏保存液的改良方法虽然在动物模型中取得了良好的效果，但目前尚难以直接应用于临床实践。随着心脏移植手术量的上升，改良的心脏保存液有望更多地应用于临床。