《Scientific Reports》：Device-driven cyclic compression of the superior vena cava as a preload reduction strategy to improve cardiac function in heart failure: a pilot feasibility study
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本研究针对急性失代偿性心力衰竭（ADHF）患者前负荷调控的临床难题，开发了一种通过3D打印装置对猪心衰模型实施上腔静脉（SVC）周期压缩的新方法。研究发现85%压缩比配合20/5分钟压缩-释放周期可显著提升心输出量（CO）27.3%和每搏输出量（SV）19.5%，同时降低左室舒张末压（LVEDP）和系统血管阻力（SVR），为外科术中血流动力学支持提供了新型器械解决方案。
在全球范围内，心力衰竭始终是导致高发病率和高死亡率的主要疾病之一。尽管临床指南和各种疗法（主要是药物治疗）不断进步，其疾病负担仍在持续加重。心力衰竭病理生理学的一个关键变化是心脏前负荷和心室负荷的增加，这是由于心室收缩力下降和收缩功能受损所致。当Frank-Starling机制在心室功能降低的情况下失效时，额外的前负荷不仅无法提高心输出量，反而会导致心肌劳损、心室效率下降，进而引发有害的心室重构以及随后的肺部和全身充血。鉴于这一病理生理机制，降低前负荷已成为心力衰竭治疗策略的关键组成部分。
当前使用的药物，如利尿剂和血管扩张剂，能有效降低前负荷，但在晚期心力衰竭中往往效果不足，且存在肾功能下降、低血压以及长期使用产生耐受性等多种局限性。各种介入方法也被探索过，包括直接心脏压缩（DCC）装置、上腔静脉（SVC）血管内闭塞以机械减少静脉回流、使用导管进行下腔静脉（IVC）血流瞬时调节，以及内脏神经阻滞将血容量重新分布到腹腔。然而，DCC系统通常需要与心脏直接机械接触，常需开胸或心外支持结构，限制了其临床应用。SVC和IVC闭塞技术涉及血管内导管术，可能需要抗凝和血管通路管理，从而限制了其长期或门诊使用的可行性。而内脏神经消融可能导致不可逆的自主神经效应，包括血压不稳定。考虑到这些局限性，尤其是在接受最佳药物治疗后仍有症状的患者中，需要一种更精确、可逆且解剖靶向的策略来调节前负荷。
为此，研究人员开发了一种基于器械的新方法，通过对SVC施加周期性压缩来间歇性限制静脉回流，从而降低心脏前负荷。与持续闭塞不同，周期性压缩提供了在特定间期内控制性减轻心脏负荷的可能性，同时维持全身血流动力学稳定。相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。
为了验证这一设想，研究团队开展了一项临床前可行性研究。他们首先建立了猪的心力衰竭模型，通过冠状动脉结扎和再灌注造成缺血-再灌注损伤。随后，他们设计并3D打印了一种SVC压缩装置，该装置可通过开胸手术放置于SVC周围，并能精确控制压缩程度（70%、85%、100%）和压缩/释放周期（如持续压缩或20分钟压缩/5分钟释放的循环模式）。研究的主要技术方法包括：利用大型动物（猪）建立缺血-再灌注心力衰竭模型；通过右心导管术和压力-容积（PV）环分析系统连续监测心率（HR）、平均动脉压（MAP）、中心静脉压（CVP）、心输出量（CO）、每搏输出量（SV）、系统血管阻力（SVR）等血流动力学参数；使用定制化的3D打印外源性SVC压缩装置进行干预；并通过动脉血气分析（ABGA）和腰椎脑脊液压力测量来评估生理稳定性和安全性。
2. 结果
实验模型总结与血流动力学特征
在最初准备的17个模型中，有5个因在SVC压缩前死亡而被排除。心力衰竭成功诱导于剩余的12个模型，所有模型均按计划接受了SVC压缩方案。最终共有11个模型被纳入分析。在心力衰竭诱导后，重新手术进行SVC压缩的平均时间为14.3±5.7天。血流动力学变量评估显示，与基线相比，诱导心力衰竭后平均动脉压（MAP）显著下降，中心静脉压（CVP）显著升高，系统血管阻力（SVR）显著降低，心输出量（CO）和每搏输出量（SV）呈下降趋势。
连续SVC压缩的初步试验
在第一个模型中，应用70%的连续SVC压缩后，血流动力学参数出现先改善后下降的双相趋势。心输出量（CO）和每搏输出量（SV）在30分钟内初始上升，但在90分钟后降至压缩前水平以下，同时平均动脉压（MAP）稳步下降，提示持续SVC压缩导致心脏充盈压逐渐降低。
周期压缩策略的评估
随后模型探索了周期性SVC压缩方案。在模型2和3中，采用100%压缩比和20/5分钟压缩/释放周期，心输出量（CO）和每搏输出量（SV）仅有轻微增加。在模型4至7中，应用85%压缩比和20/5分钟周期，取得了显著效果：每搏输出量（SV）增加19.5%，心输出量（CO）增加27.3%，系统血管阻力（SVR）下降，平均动脉压（MAP）保持临床稳定。代表性的压力-容积（PV）环显示向左下移位，表明前负荷减少和左室舒张末压（LVEDP）降低，收缩末期压力-容积关系（ESPVR）斜率增加，提示心室收缩力改善。在模型8至11中，70%压缩比配合20/5分钟周期导致心输出量（CO）和每搏输出量（SV）仅有数值上的轻微增加。
SVC压缩后生理稳定性评估
对完成SVC压缩方案的8个模型进行动脉血气分析（ABGA），结果显示动脉pH、碳酸氢根（HCO3-）、二氧化碳分压（PaCO2）和电解质水平均在正常生理范围内，乳酸浓度正常，表明灌注得以维持，血流动力学稳定。在85%压缩模型的4只动物中，通过腰椎脑脊液压力估算的颅内压（ICP）平均为8.5±1.9 mmHg，SVC压缩期间中心静脉压（CVP）为10.0±1.4 mmHg，未观察到颅内压（ICP）显著升高。
3. 讨论
本研究证明了通过外源性周期压缩SVC来调节前负荷这一新策略的可行性和治疗潜力。在多种压缩方案中，85% SVC压缩模型与持续的组内血流动力学改善相关，且未损害稳定性。该模型在所有七个压缩/释放周期中均能改善心输出量（CO）和每搏输出量（SV），这与连续压缩和100%压缩模型中观察到的暂时性增强形成对比。而70%压缩模型仅显示心输出量（CO）和每搏输出量（SV）的轻微增加，可能原因是下腔静脉（IVC）在猪模型中主导静脉回流，单独压缩SVC效果有限。在85%压缩模型中观察到的系统血管阻力（SVR）适度降低，支持了前负荷减少的血流动力学益处。值得注意的是，尽管前负荷减少，心输出量（CO）增加的同时系统血管阻力（SVR）却下降，这偏离了预期的代偿性血管收缩反应，暗示了适应性机制的复杂相互作用。虽然心输出量（CO）增强可能改善了组织灌注并导致局部血管舒张，但对心脏性能产生整体积极影响的一个合理假设是，交感神经激活主要增强了心肌收缩力而非诱导全身血管收缩。这些结果表明周期SVC压缩帮助心脏达到了更高效的血流动力学状态。同时，针对SVC压缩期间中心静脉压（CVP）升高可能引起颅内压（ICP）增加的担忧，在85%压缩模型中直接测量颅内压（ICP）并未发现显著升高。
研究结果对心力衰竭管理具有重要意义。20/5分钟的周期选择基于初步连续压缩试验的观察（显著的血流动力学改善直到20分钟才出现）和安全性考虑（借鉴早期研究）。与先前研究相比，20/5分钟的压缩/释放周期能够维持血流动力学改善且不诱发不稳定，这使其可能成为一种安全有效的辅助手段，用于预防持续压缩或过长压缩周期可能导致的血流动力学恶化。该装置设计用于在邻近大血管附近安全应用，其关键技术特点是能够基于SVC周长实现精确的压缩比，这一优势使其非常适合作为外科手术工具。从转化角度看，人的SVC在标准胸骨正中切开术中易于接近，使得手术放置可行。该装置外部、非血液接触的配置也降低了与血管内装置相关的血栓形成风险。
研究也存在若干局限性。首先，尽管总样本量（n=11）对于大动物模型相对充足，但分配给每个压缩条件的动物数量有限（n=1, n=2, n=4, n=4）。20分钟压缩时间并非通过系统优化研究确定，而是基于单个连续压缩模型的经验观察 pragmatically 选择。其次，研究缺乏假手术对照组，无法明确将观察到的血流动力学变化完全归因于SVC压缩。第三，诱导的心力衰竭状态的均匀性和量化有限，再手术时间窗较宽（1-3周），且缺乏基线射血分数等客观量化指标。第四，关键安全性结局的评估有限，观察期较短，颅内压（ICP）仅在目标亚组（85%压缩组）中测量。第五，未测量神经激素标志物，限制了对生化水平代偿或恶化机制的理解。最后，研究未评估器械生物相容性或长期植入结果。
结论
本研究证明，在猪心力衰竭模型中，周期压缩SVC可降低左心室充盈压并提高心输出量。血流动力学稳定性在整个压缩周期中得以维持，未测得不良反应。这些发现表明，通过外源性静脉压缩进行间歇性前负荷调节可能对心力衰竭背景下的心脏性能产生积极影响。尽管这些发现因研究的初步性质以及亚组样本量小且不均而具有探索性，但该方法为开发辅助性可植入系统以支持晚期心力衰竭患者（特别是在外科或急症护理环境中）的前负荷管理奠定了基础。未来的研究可结合柔性材料、软体微型驱动传感技术以及人工智能（AI）驱动系统的进步，开发全植入式、自主运行的SVC压缩装置，实现实时、动态的前负荷调节，为严重心力衰竭的管理提供有价值的辅助工具。
