一种磁液悬浮心室辅助装置主动停工在体实验动物研究

王帆,张杰民,刘天文,刘晓程

(泰达国际心血管病医院,天津 300457)

心室辅助装置故障报道[1]多集中在泵内血栓的形成方面[2]。但是,心室辅助装置由血泵、引出导线、控制器和电池设备等组成[3],这些组件均有可能会发生故障[4]。由航天泰心科技有限公司研发的型号HeartCon植入式磁液悬浮心室辅助装置已经过多轮改进加工测试,并应用于实验羊上[5]。此次实验为模拟血泵停工实验动物在体研究[6],旨在评估当血泵系统停工后的血泵血液相容性[7]和生物适应性,是否有相关并发症,包括感染、血泵机械故障,以及不抗凝产生的影响,包括是否有出血、血栓形成等,并观察血泵的反流情况[1],为左心辅助临床应用[8]积累可靠数据[9]。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验动物

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,根据国内外相关法规并参考临床专业意见,遵循“优化、减少、替代”的3R原则选取普通级12~16月龄的雄性健康小尾寒羊1只,体重80~90 kg。正常运行6周后主动停泵,并停服抗凝药物华法林,饲养于百级饲养室内,温度24.2℃,相对湿度68.4%,气流速度0.08 m/s,噪声44.7 dB(A),工作照度342 Lx,动物照度137.2 Lx,换气次数每小时19.9次。实验动物来源于天津市百农实验动物繁育科技有限公司【SCXK(津)2020-0002】,实验于泰达国际心血管病医院实验动物设施内进行【SYXK(津滨)2020-0004】,经泰达国际心血管病医院伦理委员会审批伦理决议编号(TICH-JY-20180824)。根据ANSI/AAMI/ISO 14708-5:6.111的要求进行器械体内评测。

1.1.2 主要试剂与仪器

盐酸赛拉嗪注射液(吉林省华牧动物保健品有限公司);盐酸戊乙奎醚注射液(成都力思特制药股份有限公司);氯化琥珀胆碱注射液(上海旭东海普药业有限公司);吸入用七氟烷(上海恒瑞医药有限公司);注射用乌司他丁(广东天普生化医药股份有限公司);注射用盐酸瑞芬太尼(宜昌人福药业有限责任公司);氯盐酸右美托咪定注射液(江苏恒瑞医药股份有限公司);琥珀酰明胶注射液(中国大冢制药有限公司);华法林钠片(Orion Corporation)。

超声血流量测定仪(美国TRANSONIC);麻醉机(美国 欧美达);电动呼吸机(德国 西门子);插件式生命体征监护仪(美国欧美达);全血凝血时间测试仪(美国ITC);全自动血气分析仪(美国OPTI);除颤器(荷兰 飞利浦);五分类血细胞分析仪(深圳迈瑞)。

HeartCon系统信息:本次动物实验的研究对象为航天泰心科技有限公司研发的HeartCon型植入式磁液悬浮心室辅助装置[10]。因实验需要,产品额外配置了实验用监控器、实验羊用便携式背包。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。

1.2 方法

1.2.1 术前准备

禁食前10~12 h进易消化草料,术前禁食24 h,禁水12 h[11]。麻醉前60 min肌注盐酸戊乙奎醚注射液(长托宁)2 mg,麻醉前30 min肌注盐酸赛拉嗪注射液(陆眠宁)0.6~1.0 mg/kg。大隐静脉穿刺,留置静脉通路。耳动脉建立动脉通路监测血压,同时监测心率、血氧饱和度。保持羊侧卧,行气管插管。静脉注射琥珀胆碱5~10 mg,连接麻醉机[12]。麻醉机设置:潮气量8 mL/kg,呼吸频率每分钟15次,PEEP设置5 cm H2O,吸呼比1∶2,吸入氧浓度40%~100%,七氟烷吸入1%~4%。颈静脉置管后局部缝合固定用于监测CVP。置入胃管,胃肠减压。静脉注射地塞米松5~10 mg;静脉给予盐酸利多卡因2 mg/min持续泵入,预防心律失常;静脉注射乌司他丁10万UI/H,保护脏器。

1.2.2 手术步骤

实验羊采取右侧卧位,选择适当进胸位置后[13],经左侧第四和第五肋间进胸。进胸前,暂停呼吸机,避免损伤肺。进入胸腔后,切开肋间肌肉,切口要充分,且不伤及左侧乳内动脉。牵开肋骨,充分显露主动脉弓降部、降主动脉、心脏和肺动脉。

开胸后给予保护性肺通气策略,小潮气量,合适PEEP,快频率,调整呼吸机参数:潮气量6 mL/kg,呼吸频率每分钟16~20次,PEEP调整为5 cm H2O。充分显露主动脉弓降部,剪开主动脉外膜,钝性分离。主动脉下方套保护带,以备应急。

剪开心包,充分显露心脏及心尖部位,选择好血泵流入端进入心尖的部位,确定流出端人工血管的吻合部位和血管长度。

吻合前,静脉给予肝素1 mg/kg,测定ACT在480 s以上。

按选定部位,应用主动脉侧壁钳,部分阻断降主动脉。观察血压无明显升高后,选定适合长度,应用4-0 prolene线,将人工血管远端与降主动脉切口完成连续的端侧吻合。

吻合过程中,尽量减轻肺压迫和损伤。确认吻合处无皱褶、无出血后,向血泵内注入0.4 mg/mL肝素生理盐水,排气,弯钳夹闭人工血管,缓慢开放降主动脉侧壁钳,确认吻合口无渗血或出血。

在左心尖处,选择适宜部位缝合心室缝合环。应用自制心室打孔器,完成心尖打孔后,将血泵流入端插入心尖,调整好血泵位置并固定后启动血泵,启动转速2400 rpm,排气,开放人工血管,完成左心室到降主动脉的辅助循环。充分止血,调整呼吸机参数:潮气量8 mL/kg,呼吸频率每分钟15次,PEEP设置8 cm H2O,吸呼比1∶2,吸入氧浓度40%~100%,停止七氟烷吸入,同时膨肺,逐层关胸至术终。给予艾贝宁0.2μg/(kg·h)持续泵入[14]。

1.2.3 术后监护

术后早期将实验动物置于术后固定架中,持续监测实验动物生理状态,循环情况。待恢复自主呼吸后满足拔管条件后拔出气管导管。拔管后给予鼻氧管低流量氧气支持直至氧饱和度稳定。拔管后12 h,实验动物允许进食。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,进行常规监护[15]、治疗和常规血液学及生化检测(每周1次),同时监控实验羊心率及血泵参数,每日口服华法林合理控制凝血酶原时间国际标准化比值(INR)。

1.2.4 模拟停工

术后6周,断开血泵与控制器的连接,监控器显示血泵已停止运行,听诊确认血泵停工无误。血泵停工后停服华法林。常规血液学及生化检测(每周1次,至12周)。

1.2.5 实验终点

遵循实验动物福利“5F”原则,使用陆眠宁100 mg,肌肉注射起效后,应用10%氯化钾30 mL,肝素3 mg/kg,对血泵停工羊实施安乐死。按“病理学诊断规范”进行解剖。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。观察血泵流入道和出口人造血管、主动脉、心室内是否存在纤维蛋白鞘或血栓。

2 结果

2.1 血泵工况及血液检查超声检查结果

血泵工作6周内,正常运转,听诊声音轻柔、均一。转速(2600±100)r/min,电压(14.5±0.5)V,电流(0.24±0.11)A,流量(0.8~3.8)L/min,无机械故障,无异常电流。血泵控制器各插口接触良好,能完成转速调整指令;长时间使用,控制器无明显发热;各参数清楚显示且无误。

实验羊在停泵前后均保持良好的精神状态、活动自如、进食良好及尿便正常。血常规及生化指标基本在正常范围内[16],血泵停工羊术前及1~12周血液、生化、凝血检查结果包括白细胞(WBC)、红细胞(RBC)、血红蛋白(HGB)、血浆游离血红蛋白(FHb)、尿素(UREA)、肌酐(CREA)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天门冬氨酸氨基转移酶(AST)、总胆红素(TBIL)、乳酸脱氢酶(LDH)、凝血酶原时间(PT)、凝血酶原时间国际标准化比值(PT.INR)、活化部分凝血活酶时间(APTT)、纤维蛋白原(Fbg),以图表形式汇总。

其中血细胞指标(白细胞、红细胞)(见图1),停工羊术前指标值为11.3,1~12周指标值在8.5~13.4之间,第7周停工值为11.5,停工后并无明显波动。红细胞术前值5.5,1~12周指标值在7.7~9.6之间,停工羊第7周停工值为9.1,停工后无明显波动。

图1 血细胞指标Figure 1 Blood cell index

肝功能指标(丙氨酸氨基转移酶、天门冬氨酸氨基转移酶、总胆红素)见图2,其中丙氨酸氨基转移酶术前值19,术后1~6周在18~20范围内,7~12周在14~17范围内。天门冬氨酸氨基转移酶术前值101,术后1~6周在82~109范围内,7~12周在71~80范围内。在术后6周开始,丙氨酸氨基转移酶和天门冬氨酸氨基转移酶均有下降趋势。总胆红素术前值0.2,术后1~12周在0.1~0.9范围内,停泵后未见明显波动。

图2 肝功能指标Figure 2 Liver function indicators

心肌功能指标(乳酸脱氢酶)见图3,乳酸脱氢酶术前值355。1~6周在629~862范围内,7~12周在397~456范围内。在术后1周内有明显升高,在术后6周开始呈下降趋势。

图3 心肌功能指标Figure 3 Myocardial function index

凝血功能指标(凝血酶原时间、凝血酶原时间国际标准化比值、活化部分凝血活酶时间、纤维蛋白原)(见图4),凝血酶原时间术前值17.1,1~6周在15.5~27.9范围内,7~12周在12.1~14.8范围内,未见明显波动。凝血酶原时间国际标准化比值术前值1.48,术后1~6周值在1.34~2.38范围内。术后7~12周在1.06~1.28范围内,未见明显波动。活化部分凝血活酶时间术前值42.77,术后1~6周在62.2~122.0范围内。术后7~12周在35.8~49.2范围内,未见明显波动。纤维蛋白原术前值2.40。术后1~6周在1.83~3.42范围内。术后7~12周在1.07~1.65范围内,未见明显波动。

图4 凝血功能指标Figure 4 Coagulation function index

溶血指标(游离血红蛋白)见图5。游离血红蛋白术前值5.0。术后1~6周在8.0~137范围内。术后7~12周在19.0~84.0范围内。

图5 溶血指标Figure 5 Hemolysis index

超声结果见图6。血泵停工后16周进行超声检查,显示收缩期人工管道内主流频谱成反向,人工血管入口可见反向红色血流信号[17]。

图6 血泵停工后16周进行超声检查Figure 6 Ultrasound examination was performed 16 weeks after blood pump shutdown

2.2 实验羊大体解剖结果

实验终点对血泵停工羊进行解剖大体解剖,结果见图7。眼观心脏大小和形状与术中基本一致,外膜有少许蛋白附着,内膜光滑。肝形态、大小无明显异常。包膜光滑、平整。脾形态、大小无明显异常。双侧肺均呈粉红色。被膜光滑,叶间分界清晰。无结节、肿块。双侧肾形态、大小正常,包膜光滑,有少许粘连。脑组织眼观未见明显异常。胃肠眼观无明显异常。肠系膜淋巴结正常,胃肠未见出血点和坏死灶。人工血管与降主动脉吻合口处平整,无血栓和赘生物。

图7 血泵停工羊大体解剖Note.Heart with blood pump and artificial blood vesse.Figure 7 Gross anatomy of blood pump stopped sheep

2.3 异常组织病理结果

取疑似异常组织HE染色,100倍镜下检查。其中,心脏取1.5 cm×1.5 cm×1 cm组织(占整体标本体积0.70%)镜检局部心肌纤维变性(5%~10%),肌间质纤维组织增生(5%~10%),局部钙化(1%~5%),少量淋巴细胞浸润(≤25个/HPF),局部可见出血灶(5%~10%)。心被膜处可见缝线组织,周边纤维组织增生(10%~20%),局部出血(1%~5%),少量淋巴细胞浸润(≤25个/HPF),巨噬细胞浸润(1~5个/HPF),异物巨细胞形成(3~5个/HPF),较多毛细血管增生(4~7个/HPF)。肝取1.5 cm×1.5 cm×1 cm组织(占整体标本体积0.29%),镜检肝细胞水肿(10%~20%),肝细胞胞浆空泡变性(10%~20%),肝窦淤血(5%~10%),肝内色素沉着(5%~10%),汇管区周围淋巴细胞浸润(≤25个/HPF)。脾取1 cm×1 cm×1 cm组织(占整体标本体积0.27%),镜检脾淤血(70%~80%),红髓内含铁血黄素沉积(10%~20%)。肺取2 cm×2 cm×2 cm组织(占整体标本体积0.74%),被膜出血(1%~5%),肺淤血(30%~40%),肺间隔增宽(5%~10%),血管、支气管周围淋巴细胞浸润(≤25个/HPF),肺内色素沉着(5%~10%)。肾取1 cm×1 cm×1 cm组织(占整体标本体积0.93%)肾皮质梗死(5%~10%),纤维组织增生(5%~10%),淋巴细胞浸润(26~50个/HPF),肾小管上皮细胞空泡变性(5%~10%),肾小管再生(5%~10%),肾小管蛋白管型(1%~5%),肾小管、肾乳头钙化(1%~5%)(见图8)。

图8 血泵停工羊异常组织镜检图Figure 8 Microscopic examination of abnormal tissues in sheep with blood pump shutdown

3 讨论

据相关研究报道[1],在选取2004年4月至2016年5月期间213个植入左心辅助装置数据中,包括108个HeartMate II(HMII)和105个HeartWare心室辅助装置(HVAD)。设备故障数据患者在其支持过程中通常有多种类型的设备故障。近64%的HVAD接受者没有设备故障,而49%的HMII没有故障。超过11%的HMII患者有5个或5个以上的设备故障,而3.8%的HVAD患者有同样多的反复故障。其中共产生291个故障事件,控制器故障占所有故障的30%,电池过早故障(19%)或患者电缆故障(14%),13%是由于泵故障本身。最后24%是由于各种外围组件故障。在长期植入左心辅助装置过程中,血泵无论外部组件还是泵体本身,产生的故障率较高,血泵故障停工后对机体影响非常值得我们研究。同时,也应注意到是否会产生相关的并发症,包括感染、出血、血栓等。

本实验已接近临床前试验,从实验动物的选择,手术方式、治疗与护理的科学性和规范性均依照国家标准进行。对于装置正常工况的性能与生理状态稳定等方面,已经成组实验符合标准规范,达到临床前应用水平。

就本实验结果而言,血泵停工前后血液生化检查统计图中观察到,血细胞指标方面未观察到明显变化,在肝肾功能指标方面观察到在术后1~6周有一定的升高,在停工后的7~12周基本下降到术前水平,且无明显波动。推测血泵运行可能对肝肾功能产生一过性影响,停工后对肝肾功能无明显影响。LDH的变化可能来自于手术对心尖心肌创伤导致心肌细胞的破坏,血泵运行平稳后,LDH逐渐恢复,且在血泵停工后并无显著变化。推测在血泵停工后并没有对心肌产生副损伤。在凝血指标方面,由于在术后1~6周进行抗凝治疗,指标值有一定的波动,在血泵停工并停服华法林后,指标恢复至术前水平。结合超声和泵体拆解后未见血栓,推测由于心脏及血管内的负荷压力产生的搏动血流能在血泵内产生一定流场防止血液凝固。在溶血指标方面,术后早期指标有一定的波动,停工后较为稳定。推测由于早期血泵位置未完全固定随体位变化可能对溶血产生一定影响,在停工后位置相对固定且停止对血细胞的剪切,所以指标值相对稳定并从一定程度上看出血泵的血液相容性较好。

病理结果表明,血泵停工并没有对脏器产生明显不良影响。

结合血液学检测结果和病理解剖结果分析:血泵停工,对血液相容性[18]、对实验羊生理状态和肝肾功能均未见明显不良影响。

人工血管通畅,但由于血泵转子和定子间隙很小,人工血管通过血泵反流至左心室血流量较小,该左心辅助实验羊,超声未见左室明显扩张,左心室功能无异常[19]。为后期临床应用过程中出现意外停泵的处理提供参考依据[20]。在临床上,应用血泵患者过度抗凝治疗导致出血,低剂量抗凝或不抗凝治疗如果不形成血栓将是解决出血问题好的方法。故后续将进行左心辅助低剂量抗凝治疗及多组停工实验进行不断完善[21]。