《Journal of Artificial Organs》：Technical challenges and prospects for ex vivo heart perfusion: a republication of the review published in Japanese journal of artificial organs
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这篇综述系统阐述了体外心脏灌注（EVHP）在心脏移植前用于供心保存与功能评估的最新进展，深入比较了静息（Langendorff）模式、工作模式及作者团队新研发的左心室辅助装置（LVAD）模式的原理、特点与技术挑战。文章从系统工程角度分析了不同灌注“模式”在模拟前负荷与后负荷、心肌代谢与功能评估、以及长期保存效果方面的优劣，强调了优化灌注模式对于未来有效保存和评估供心的关键意义，并探讨了EVHP技术临床转化面临的复杂性与未来发展方向。
引言
自2021年美国食品药品监督管理局（FDA）批准了TransMedics公司的器官护理系统（OCS）心脏以来，体外心脏灌注（EVHP）或离体心脏灌注（ESHP）技术在扩大移植供体池、以及评估那些移植可行性存疑的“边缘供心”方面，正发挥着日益重要的作用。这项技术的核心价值在于对离体供心进行保存和功能评估，是连接捐献与移植手术的关键桥梁。
EVHP的灌注“模式”
在EVHP研究领域，灌注方法常被称为“模式”。由于心脏解剖上分为左右心，且各有流入道（前负荷）和流出道（后负荷），其模式比其他器官的机器灌注更为多样。在EVHP中，心肌的代谢和机械活动由前、后负荷条件决定，因此，在设备概念中如何恰当表征前、后负荷至关重要。
1. 前负荷与后负荷的表达方法
在体情况下，动脉压主要由心输出量和外周血管阻力决定。而在EVHP中，左右心循环是分离的，且心脏可能处于停搏状态，因此需要替代的外部压力源来建立前负荷和后负荷。压力源主要可分为两类：基于储液罐的系统和基于泵驱动的系统。
储液罐系统无需复杂的机械控制，通过心脏与储液罐之间的高度差产生的静水压来生成前、后负荷条件。但这种方法需要一定的储液容量，从而增加了EVHP回路的初始灌注量，且为了产生所需的静水压需要足够的高度，导致整个系统体积增大。相比之下，基于泵的系统可以做得更小巧，但由于需要根据灌注期间的心功能来调控泵，其系统结构更为精密和复杂。
2. 静息模式（或Langendorff模式，非工作模式）
在临床应用的OCS心脏设备指南中，其灌注方案被指定为“静息模式”。这种配置也通常被称为Langendorff模式，以纪念19世纪末在哺乳动物身上开创离体心脏灌注实验的德国生理学家Oscar Langendorff。该方法对主动脉施加压力，仅灌注供应心肌的冠状动脉。由于没有灌注液流入左心房，因此没有前负荷，是一种仅存在后负荷的灌注模式。因其系统配置简单，这种经典的灌注方法长期被用于心脏的药理学评估实验。
EVHP在心脏移植背景下的一个特点是，在EVHP前后总是需要冷保存。具体而言，在供心获取并连接到EVHP系统之间，以及EVHP完成到移植结束之间都需要时间，心脏在这些间隔期内必须保持在心脏停搏、冷保存状态。因此，EVHP必须在心脏处于停搏状态下开始，这只能在静息模式下实现。无论何种EVHP，其系统都必须能够在灌注开始和结束时以静息模式运行，这是基本要求。
3. 临床EVHP趋势
迄今为止，所有临床应用的EVHP系统都仅使用静息模式。在OCS心脏的Proceed II试验中，OCS组的总保存时间为324分钟，与195分钟的冷储存组相比，移植后结果无显著差异。2023年，一项基于美国器官共享网络（UNOS）数据、对使用OCS心脏评估循环死亡后（DCD）捐献心脏进行移植结果的多中心分析报告显示，在90例受控DCD病例中，有80颗心脏（89%）在OCS心脏EVHP后接受了移植。尽管原发性移植物功能障碍（PGD）的发生率高于脑死亡供体移植，但6个月生存率与脑死亡组相当。
XVIVO公司也正在开发一种用于临床应用的低温系统。在该静息模式方案下，系统循环经过三个阶段：8°C下20 mmHg冠状动脉灌注15分钟，8°C下10 mmHg冠状动脉灌注40分钟，以及无灌注5分钟。临床前研究表明，使用该方案保存24小时的猪心随后被移植，显示出令人满意的移植后心功能。在临床试验阶段，6颗心脏在总保存时间223分钟后接受了移植，移植后180天生存率达到100%。2024年，有报道称一颗来自法国西印度群岛的供心通过法航运输了6750公里到达巴黎，在总保存时间12小时6分钟（包括约10小时32分钟的灌注）后成功移植。人们期待有关使用该方法成功长期保存的进一步报告。
4. 工作模式
与静息模式相反，这种灌注方法包含前负荷，允许心脏产生心输出量。静息模式可以在心脏停搏下进行，而工作模式需要主动的心肌收缩，因此仅限于常温EVHP。在评估DCD心脏功能时，需要同时识别适合移植的心脏和应被排除移植的心脏，这两个目标本质上是权衡关系。从安全角度，应优先考虑排除不适合的心脏，但这会导致更严格的评估标准。在使用OCS心脏评估供心时，标准评估参数仅限于乳酸水平的稳定性和灌注参数。为了进一步扩大供体池，需要更精确的心功能评估，特别是机械性能评估。在心脏力学中，有多种参数可定量描述机械心功能，例如心输出量（L/min）、每搏功（mmHg·mL）、dP/dt最大值（mmHg/s）、dP/dt最小值（mmHg/s）、tau（ms）、射血分数等。由于这些参数依赖于前负荷条件，因此在静息模式下无法充分评估。
自Neely和Morgan于1967年首次报道大鼠工作模式EVHP以来，已有各种改进方案，但该方法仍处于研究阶段，尚未转化为商业产品。在他们开发的工作模式中，前负荷和后负荷均由储液罐的液面高度决定。在心脏生理学中，严格来说，前负荷根据Frank-Starling定律定义为舒张末期容积（EDV）；但由于准确测量EDV具有侵入性且技术挑战大，平均左心房压（LAP）常被用作替代参数，并在EVHP系统中进行相应控制。在通过调整储液罐高度对左心房施加固定静水压的设置中，左心室射血分数（LVEF）的增加会增强静脉回流入左心房，从而降低平均LAP。反之，当LVEF降低时，平均LAP升高。因此，在储液罐高度恒定的条件下，较低的平均LAP表明更好的机械心功能。因此，在使用固定储液罐高度定义前负荷的EVHP系统中，平均LAP会随着工作模式灌注期间的心功能而持续变化。
另外，也有报道使用离心泵产生前负荷的工作模式配置，该系统通过压力反馈控制系统将平均LAP维持在预定的目标值。在这种设置下，恒定平均LAP下的心输出量和主动脉压可作为心功能指标。由于前负荷可以保持恒定，因此与固定储液罐高度的系统相比，可以更精确地评估机械心功能。但需注意，当心功能异常高时，为维持目标LAP，前负荷泵速可能会持续增加，导致心脏负荷过度增加，产生正反馈现象。
后负荷也是一个关键因素，因为它直接影响冠状动脉灌注。与在体情况类似，冠状动脉血流在舒张期主动脉压期间增加，此时主动脉瓣关闭，因此控制舒张压至关重要。在静息模式下，由于没有心脏射血，舒张压控制相对简单。此外，流经主动脉根部的流量对应于冠脉流量，使得冠脉灌注易于评估。相反，在工作模式下，心输出量会干扰这些参数。为了估算工作模式下的平均冠脉流量，通常结扎上下腔静脉，并将来自冠脉循环的灌注液引流入肺动脉进行流量测量。
5. 左心室辅助装置（LVAD）模式
LVAD模式由我们的研究团队独立开发。尽管OCS心脏对扩大全球心脏移植的供体池做出了重大贡献，但在灌注期间无法进行机械心功能评估仍然是一个未解决的问题。因此，工作模式的实际应用备受期待，我们也开始基于这一概念开发专有的EVHP系统。然而，尽管工作模式预计对功能评估有用，但其在心功能保存方面的作用尚未明确。由于前负荷的引入迫使心肌进行机械做功，理论上可能会增加心肌能量消耗，并可能在EVHP期间诱发心肌疲劳。Hatami等人使用他们开发的PSWM EVHP系统对猪心进行了12小时的对比灌注研究，报告称工作模式组比静息模式组表现出更优的心功能保存。但如前所述，PSWM配置在心功能不同时，即使在同组内也会导致后负荷条件的变化，使直接比较复杂化。由于静息模式和工作模式的关键区别在于是否存在前负荷，有意义的比较需要相同的后负荷条件。使用依赖静息模式的OCS心脏，目前尚无明确证据表明其保存时间比传统冷储存有显著延长。报告结果差异很大，从保存16小时的案例到灌注超过8小时后出现严重水肿和原发性移植物衰竭的案例都有。在此背景下，工作模式作为下一代EVHP技术被全球期待。然而，它不可避免地增加了系统复杂性，并且可能对心肌保存不利。建立关于前负荷在EVHP中作用的基础知识，即工作模式系统的开发，对于推进下一代EVHP平台的发展至关重要。实现功能评估和心肌保存之间的平衡将是此类未来系统的关键要求。
在我们的EVHP系统中，采用了基于泵的前负荷配置和基于储液罐的后负荷配置。该设置使我们能够保持恒定的主动脉根部阻力，并分析是否存在前负荷与心脏保存之间的关系。在使用猪心的对比实验中，静息模式组显示出比工作模式组略优的心功能。此外，EVHP后心肌三磷酸腺苷（ATP）含量的测量显示，静息模式组水平显著更高。尽管工作模式的前负荷和后负荷条件尚未完全优化，但未观察到可归因于前负荷的心脏保存的显著增强。然而，在工作模式下，观察到心肌耗氧量、灌注液葡萄糖消耗量和乳酸产量显著增加，表明有氧和无氧糖酵解代谢都因前负荷而增强。这可能反映了ATP合成的增加，但同时增加的机械负荷可能导致更大的ATP消耗，最终并未改善心肌功能的保存。
由于灌注液从心房到心室的流入是被动充盈，心肌能量消耗主要与收缩期相关。然而，简单地减少前负荷，实际上会将系统转换为静息模式。这促使我们考虑选择性收缩期卸载的潜在效用。我们新开发的灌注方法，称为LVAD模式，可正式描述为一种协同搏动、心跳同步、左心室辅助型的工作模式。该方法旨在通过前负荷诱导左心室充盈（即增加EDV），同时利用类似于LVAD的离心泵在收缩期开始时卸载心室。因此，舒张期模拟工作模式状态，而收缩期近似静息模式状态。尽管在实践中无法实现完全同步和完全的心室引流，但达到了约71%的辅助比率和约76%的100毫秒内同步精度。在LVAD模式组中，EVHP 6小时后的每搏功保存率约为75%，而静息模式组为30%，工作模式组为31%。
总结与未来展望
在本文中，我们描述了静息模式、工作模式以及我们团队新开发的LVAD模式的系统配置。常温体外心脏灌注（EVHP）有两个主要目的：器官保存和功能评估。关于这三种模式的心脏保存能力，目前尚不清楚静息模式和工作模式孰优孰劣。在我们的实验条件下，静息模式的保存结果优于工作模式；然而，哪种模式对保存更有利还需要进一步研究。值得注意的是，LVAD模式显示出比其他两种模式大约高一倍的每搏功保存率。关于心脏功能评估能力，静息模式无法评估机械心功能，而工作模式则可以。然而，迄今为止报道的大多数工作模式主要设计用于左心的机械功能评估。关于右心评估，双心室工作模式系统的开发也有报道，但此类系统更加复杂。当辅助比率设为0%时，LVAD模式可以充当常规工作模式，从而允许心功能评估。在LVAD泵主动辅助心肌收缩时，是否能可靠评估心功能尚未得到研究。
从临床应用的角度看，期望系统能提供更优的保存和功能评估能力；但设备的简易性和操作安全性也至关重要。静息模式系统配置最简单，但其局限性在于难以评估机械心功能。相比之下，工作模式和LVAD模式的系统复杂性增加。此外，由于产生了心输出量，灌注液流量较静息模式增加，溶血更可能发生。由于过度溶血会增加灌注液中的钾离子浓度并可能影响心功能，灌注时间越长，溶血问题越突出。同时，软件开发尚不充分。根据心功能稳健地控制前负荷和后负荷，对于工作模式下心脏的安全保护以及心功能的正确评估至关重要。所有这些都是机械结构问题，只能通过机械工程解决。与其他器官不同，心脏是一个自主运动的器官，其功能是泵血的机械作用，因此机械工程师的参与是可取的。作者参与人工心脏开发多年，LVAD模式的灵感正是来源于他对人工心脏的研究。我们希望本文能启发人工器官工程师参与到下一代EVHP系统的开发中来。
