龍 翔,晏 浩,徐建軍

自體外循環(huán)(cardiopulmonary bypass,CPB)技術上世紀 50年代運用于臨床后,相關技術迅猛發(fā)展,但是圍 CPB期有關病理生理、物理損害和血流動力學改變等尚有諸多不明確因素[1-6]。為了闡明這一病理生理學過程,許多學者作了相關研究,以往較多為大動物模型,如兔、狗、羊和豬等[7-11],但建立這些模型費用昂貴、技術要求高、管理不便以及難以長期生存,故發(fā)展受到限制。大鼠的循環(huán)系統(tǒng)和人類十分相似,而且管理方便、手術操作簡便和易長期存活,故以大鼠為體外模型可以系統(tǒng)的研究體外循環(huán)圍手術期病理生理改變機制。至今,關于大鼠體外循環(huán)模型的報道逐漸增加,且取得了長足的進步,現(xiàn)將大鼠體外循環(huán)模型研究現(xiàn)狀做一綜述。

1 研究歷史

上個世紀 60年代,Popovic等[12]首先報道了低溫大鼠體外循環(huán)模型,他們使用的裝置包括:滾壓泵、薄膜式氧合器、熱交換器、濾泡器和靜脈儲血器等,血液由右心室通過重力作用引流,最后泵入頸動脈。整套系統(tǒng)的預充量為 13.7ml,其中氧合器占了 11.3m l。實驗當中,他們首先將穿刺好血管通道的大鼠冷卻到 14℃,然后連接好各管道進行低溫(14.0±0.2)℃轉機,之后大鼠體溫升至 22℃停止轉機,轉機過程當中,采用“平衡灌注法”,將大鼠放在天平上,根據(jù)體重調節(jié)灌注流量。灌注流量最大為 32m l/(kg·min),低溫時達到大鼠心輸出量的80%,常溫時達到 50%。75只實驗大鼠大部分順利脫機,但未報道長期生存。

之后,相繼有一些學者研究大鼠體外循環(huán)模型,各有特色,但都由于灌注流量、預充量和長期生存等問題未得到解決,限制了其發(fā)展。其中 Triggiani等[13]采用開胸建立大鼠體外循環(huán)模型,提出了“三叉戟狀”引流裝置,三個分支分別引流大鼠的左、右上腔和下腔靜脈,但是轉機流量只有 15～20 ml/(kg·min),轉機時間短,且脫機后存活時間短暫。Alxenade等[14]建立了轉機時間較長(＞6 h)的大鼠體外循環(huán)模型,其特色是使用了旋轉的盤型氧合器,預充量為 4.4m l,總預充量 12m l,預充液包括 Hartmnan溶液和肝素。其目標主要為檢測 CPB過程中血紅蛋白、紅細胞比容等血液學指標,并未考慮大鼠存活。Wehberg等[15]為了研究體外循環(huán)中氧化亞氮調節(jié)體內各器官水潴留的作用開胸建立了流量較大[125 ml/(kg·min)]的大鼠體外模型,右心房引流,左室心尖至升主動脈根部的插管,但是預充量高達30ml,超過了大鼠的正常血量,所有大鼠均未存活。

2 研究現(xiàn)狀

進入 21世紀后,大鼠體外循環(huán)模型相繼報道,其主要特色在于全流量、預充量小甚至無血預充、低溫或常溫心臟停搏和長期生存。

2004年,Gua-Hua Dong等[16]報道了常溫下全流量的大鼠體外循環(huán)長期存活模型,大鼠氣管插管,機械通氣,采用內徑為 4 mm的靜脈引流管連接置入右心房的穿刺管道引流靜脈血,1.6mm內徑的頸動脈灌注管道,流量可達到 100～150 ml/(kg·min)。轉機過程中,保持平均動脈血壓為 60～80 mmHg(1mmHg=0.133 kPa),大鼠的心率保持在210～280次/min。他們使用了特殊設計的專用動物膜肺,交換面積為 0.05 m2,預充量只有 4 Ml,血氣分析的結果顯示它完全可以滿足 60 min的灌流需氧量。這個模型的總預充量為 16 ml(新鮮同種異體血液和膠體液各半),恰好為成年大鼠全身血量的一半,這和臨床上的體外循環(huán)較為相似。實驗結果顯示,10只體外循環(huán)大鼠能夠存活 2周以上。

Bettina Jungwirth等[17]為了研究深低溫停循環(huán)技術后大腦損傷的機制,在 2005年建立了一種新的可長期存活的深低溫停循環(huán)體外模型,采用 4.5 Fr的多側孔靜脈引流管道引流右心房靜脈血,20 G穿刺管置入尾動脈灌注,體外循環(huán)初始流量達到160～180m l/(kg· min),隨著降溫(熱交換器、冰袋和冰毯)流量逐漸減半,約半小時肛溫下降到 16～18℃,大鼠心臟停搏,不同的停搏時間(0 min、45 min、60 min、75 min、90 min、105 min)后大鼠復溫 ,同時恢復體外循環(huán),復溫時間超過 40 min,肛溫至少達到 35.5℃后停止轉機。他們也采用了特制的膜式氧合器,預充為 4 Ml,交換面積為 558 cm2。在深低溫停循環(huán)過程中,動物不行機械通氣,但是,在轉機過程中給予吸入氧分數(shù)為 0.21的持續(xù)氣道正壓通氣,避免肺膨脹不全。此模型預充量減少到10 ml,而且無血預充(使用羥乙基淀粉)。在拔除血管插管后,大鼠仍然予機械通氣 1小時,同時收集殘留血液離心(2 000 r/min,10 min)后輸入大鼠體內。大鼠恢復自主呼吸后,將其放置富含氧氣的環(huán)境中12 h自由攝食、攝水。實驗結果顯示,大鼠的存活率和深低溫停搏持續(xù)時間呈劑量負相關性。90 min組以下的大鼠基本存活到術后 14天。

Ralf Günzinger等[18]設計了大鼠開胸主動脈夾閉和心臟停搏的體外循環(huán)模型,這個模型也使用了一個特殊設計的膜式氧合器,它的交換面積相對較大為 0.063m2,預充量卻很小為 4 ml,此外熱交換器的預充量為 0.6ml,內徑為4mm的12 cm長的灌注泵硅膠管道預充為 1.5ml,其他管道預充為 1m l,加上預留在靜脈儲血器中的 1 ml,總的預充量為 8 Ml,采用 4：1的羥乙基淀粉和碳酸氫鈉。避免需要同種異體血液,這與臨床實踐相符。他們采用右頸靜脈引流和右股動脈灌注,但為了監(jiān)測左室收縮和舒張功能,在大鼠左右頸動脈和左頸靜脈均插入了管道,轉機前切開胸骨,阻斷主動脈。通過一帶負壓裝置的靜脈儲血槽,轉機后流量可達到 120 ml/(kg·min),同時迅速將肛溫降至 32℃,之后注入高鉀晶體心臟停搏液,停搏 30m in后,主動脈開放,復溫至 37℃。為了檢測心肌腫瘤壞死因子-a(TNF-a),白介素(IL)-6 mRNA的水平,停機后 60 min就將大鼠處死。此模型作者主要是采用導管技術監(jiān)測術中左心室收縮舒張功能和術后心肌組織 TNF-a,IL-6mRNA的水平,并未考慮長期存活。

Fellery de Lange等[19]在 2008年報道了閉胸主動脈阻斷的大鼠體外循環(huán)和心臟停搏模型。此模型最大的特點是通過 B超引導置入主動脈瓣上方的雙腔導管,其前端有一氣囊,可充氣膨大阻斷主動脈,也可以通過此導管注射入心臟停搏液。而且他們采用腹壁尾側淺動脈監(jiān)測血壓,減小了對大鼠的創(chuàng)傷。他們使用的膜式氧合器,預充量也為4 ml,交換面積為 558 cm2。整套系統(tǒng)共預充 10m l羥乙基淀粉。氣管插管機械通氣,右心房插管引流,尾動脈灌注。轉機后保持 150 ml/(kg·min)的流量,15 min后將插入主動脈瓣上方導管的氣囊注氣膨大阻斷主動脈,同時注射入適量心臟停搏液,讓心臟停搏30min,停搏過程中通過熱交換器保持體溫在 34℃。之后將氣囊抽空主動脈開放,恢復流量,而且復溫至37℃。脫機后繼續(xù)保持機械通氣一小時,然后將大鼠放置在溫暖和富含氧氣的環(huán)境中復活。大鼠均存活 14天以上。本實驗還有個特別之處:采用針狀熱敏電阻置入左側顳肌下測量顱骨膜溫度。此模型有諸多優(yōu)點:創(chuàng)傷性小、容易存活、心臟停搏時間和體外循環(huán)轉機時間的可控性。

3 建立穩(wěn)定實用、接近臨床的大鼠體外循環(huán)模型

3.1 氧合器和預充量 整個循環(huán)通路的預充量主要取決于氧合器。隨著醫(yī)療科技的發(fā)展,氧合器已經(jīng)從早期使用的鼓泡式過渡到了現(xiàn)在使用的膜式氧合器。早期使用的鼓泡式氧合器預充量太大,并不適合建立一個接近臨床的動物模型。從目前各實驗室使用的膜肺來看,其交換面積大約為 0.05m2,預充量為 4ml,這樣循環(huán)通路總預充量可以控制在 10ml以內,使得無血預充得以實現(xiàn),更加接近于臨床。使用 100%的氧氣在大鼠全流量[150～180 ml/(kg·min)]下,足以滿足大鼠機體的需氧量,而且在沒有行機械通氣的情況下,仍然可以達到足夠的氧合。

3.2 靜脈引流和流量控制 靜脈引流量的大小直接影響到流量的控制,也是模型成功的關鍵。不同的學者有不同的觀點,前端多孔管道心房插管、多極管道引流、增加心房和儲血槽的落差、虹吸作用和保持儲血槽的負壓都是增加靜脈引流量的方法。成年大鼠的心輸出量為 150～180m l/(kg·min),平均動脈血壓為80mmHg以上。只有灌注流量達到 150 ml/(kg·min)以上才為真正意義上的全流量模型,以上只有 Bettina Jungwirth[17]等和 Fellery de Lange[19]等的模型達到此流量。但達到流量的同時要考慮血壓的穩(wěn)定和維持。此外,目前實現(xiàn)主動脈順行灌注的最佳方法為頸動脈插管。照 Fellery de Lange[19]的插管方法,在頸動脈置入一根三腔多功能管,既可阻斷主動脈又可向心臟注射入心臟停搏液,還可以進行灌注,不失為一種很好的辦法。

3.3 心臟停搏 正中開胸、直接插管、主動脈夾閉和注射心臟停搏液,是臨床心臟手術常規(guī)的步驟。此模型中,不可能追求與臨床完全一致,Ralf Günzinger[18]等的模型除了直接插管外,基本采用臨床模式,同時雙側頸動脈插管監(jiān)測心臟功能,大鼠均未存活。Ralf Günzinger[18]等的深低溫停循環(huán)技術和 Fellery de Lange[19]等的插管主動脈阻斷、注射心臟停博液是目前最為實用的心臟停搏技術。但是,深低溫停循環(huán)技術中缺乏完全有效的溫度控制。后者也存在一些潛在的缺陷,動脈導管需精確地置于主動脈瓣旁。超聲影像是必須的,當導管沒有置于最佳位置,會造成不完全阻斷,氣囊可能會損害頭壁干或者左心室。如果氣囊注射過大,很可能造成左心室擴張。

3.4 術后存活 體外循環(huán)后大鼠的存活期,對研究CPB后機體的病理生理變化機制及探討臨床保護策略極其重要。目前大多數(shù)學者采用纖維喉鏡輔助下的氣管插管技術或直接插管法建立氣道,避免了氣管切開后帶來的并發(fā)癥問題[16-22]。此外不開胸利于大鼠轉流后呼吸功能的恢復。轉流中和轉流后的血氣、電解質的監(jiān)測和調整也是存活的必要條件之一。創(chuàng)傷最小化、保持胸廓的完整性是使動物術后能夠長期存活的重要條件,預充液量的大小對此也有較大影響。Bettina Jungwirth[18]等和 Fellery de Lange[19]等為了提高生存時間做了如下的處理:轉流結束后繼續(xù)機械通氣一小時,同時將殘留血液離心收集紅細胞輸入大鼠體內,大鼠恢復自主呼吸后將大鼠放置溫度適宜、富含氧氣的環(huán)境中讓其自由攝食、攝水。

4 研究展望

理想的大鼠 CPB模型應該是操作簡便、無血預充、主動脈順行灌注、全流量、可控性強和存活時間長。Fellery de Lange[19]等的大鼠 CPB模型創(chuàng)傷性小、容易存活、心臟停搏時間和體外循環(huán)時間的可控性,似乎接近理想狀態(tài),但是臨床上的正中開胸、心臟直接插管等常規(guī)步驟沒有實施。我們的目標是追求一個理想的和臨床大致相似的大鼠 CPB模型裝置,但是正中開胸,直接插管等必然會明顯降低大鼠存活率。為解決這一矛盾,隨著醫(yī)療科技的發(fā)展,我們可以進一步改進循環(huán)通路各元件,進一步改良設計各插管途徑甚至開胸路徑,根據(jù)自己科研的需要設計出簡單合理實用的理想的大鼠 CPB模型。

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