综述：特别专题：“器官保存技术的现状与未来发展” 用于评估细胞体外肺灌注中肺功能的新技术：《日本人工器官杂志》上发表的综述文章的重新刊发

《Journal of Artificial Organs》：Special feature: “current status and future development of organ preservation technology” novel techniques for assessing pulmonary function in cellular ex vivo lung perfusion: a republication of the review published in Japanese Journal of Artificial Organs

　　摘要
肺移植是治疗终末期呼吸系统疾病的最终疗法。为了扩大供体肺源，已经开发了离体肺灌注（EVLP）技术来评估边缘供体肺。然而，目前的评估方法仍然有限。本研究旨在开发非侵入性成像和监测技术，以便在EVLP过程中定量和早期评估肺功能。建立了三种新方法：（1）在初次再灌注期间使用肺热成像技术评估肺功能；（2）使用光学氧饱和度（SaO2）成像技术评估肺氧合；（3）使用实时肺重量测量技术作为移植适宜性的早期指标。肺热成像显示，在分流关闭后8分钟时，不适合移植的供体肺表面温度显著低于适合移植的供体肺（25.1 ± 0.6 °C vs 27.8 ± 1.2 °C，P < 0.01）。光学SaO2成像显示，从SaO2成像计算得出的下叶SaO2与下肺静脉中的PaO2/FiO2（P/F）比率之间存在强烈相关性（R = 0.855，P < 0.01），且不适合移植的供体肺的SaO2显著较低。实时肺重量测量显示，在不适合移植的供体肺中，40分钟后的肺重量增加明显高于适合移植的供体肺（51.6 ± 46.0 g vs -8.8 ± 25.7 g，P < 0.01）。这三种方法证明了它们在EVLP过程中定量和早期评估肺功能的有效性。本综述基于2024年发表于《日本人工器官杂志》（Vol. 53, No. 3, pp. 216–220）的日本原文的翻译版本。

引言
肺移植已被确立为治疗终末期呼吸系统疾病的最终疗法。然而，在日本，2023年仅进行了119例来自脑死亡供体的肺移植手术，而仍有572名患者等待移植，表明供体肺资源持续紧张[1]。在美国，2023年进行了3016例肺移植手术。尽管如此，由于低温保存时间的限制以及重症监护期间供体肺功能障碍，只有18%的供体肺能够被临床利用进行移植[2]。为了解决这个问题，主要在欧洲和北美开发并应用了离体肺灌注（EVLP）技术，用于在移植前评估供体肺的适宜性[3, 4]。然而，当前的EVLP评估方法仍然不足，可能导致临床效果不佳。因此，需要一种定量和早期的功能评估技术，以客观评估肺功能并扩大供体肺源。本文描述了通过日美医疗工程合作开发的三种用于在EVLP过程中定量和早期评估供体肺功能的新技术：（1）在初次再灌注期间使用肺热成像技术评估肺功能；（2）使用光学氧饱和度（SaO2）成像技术评估肺氧合；（3）使用实时肺重量测量技术作为移植适宜性的早期指标。

开发的EVLP系统及灌注条件
我们构建了一个EVLP系统来评估肺功能，如图1所示。该系统包括用于放置供体肺的器官腔室、储液器、离心血液泵、膜式氧合器、热交换器和白细胞过滤器（图1a）。在器官腔室的底部安装了红外热成像仪和高光谱相机，用于评估根据West等人提出的“重力模型”可能发生再灌注损伤的下叶背侧[5]。此外，在器官腔室底部安装了负荷传感器，以实现EVLP过程中的实时肺重量测量（图1b）。

实验方法
十五只体重为42–49公斤的猪被随机分为三组：一组为对照组，另外两组分别经历60–90分钟的温缺血后的捐献（DCD组，每组5只）。对照组中的猪首先经历1小时的冷缺血，然后进行2小时的EVLP；DCD组中的猪首先经历60–90分钟的温缺血，之后再进行5小时的冷缺血，最后进行EVLP。部分实验在不同方法之间有重叠，部分则存在差异。肺的灌注按照Lund方案进行，如图2所示[6, 7]。灌注液主要由2.0升STEEN溶液和500毫升压缩红细胞组成。肺动脉导管连接到循环系统中，左心房保持开放状态。灌注开始时（0分钟），流量维持在1.0升/分钟，并在循环系统与器官腔室之间接通分流阀以防止肺突然再灌注。灌注开始10分钟后，流量降至0.2升/分钟，并关闭分流阀。使用肺热成像评估肺功能时，以分流阀关闭的时间点作为时间零点。随后逐步增加流量，直到流量达到估计的心输出量（70毫升/分钟/公斤）。同时，利用与膜式氧合器集成的热交换器将肺逐步升温至37°C。当上叶温度达到32°C时开始机械通气。在EVLP开始后1小时和2小时，分别在不同的吸入氧分数（FiO2）条件下进行血液气体分析。

2小时的EVLP后，根据Wierup等人之前制定的标准[8]对肺的移植适宜性进行全面评估。当左心房的PaO2/FiO2（P/F）小于300毫米汞柱，或者气道参数（如吸气峰压、平台压、动态顺应性和静态顺应性）以及血管参数（例如流量小于估计心输出量的100%）显著恶化时，肺被认为不适合移植。此外，在灌注结束时发现明显的气道积液或异常视觉表现（如肺水肿或血肿）时，肺也不适合移植[9,10,11]。在本研究中，对照组中的所有5例猪均被判断为适合移植。在经历90分钟温缺血的DCD组中，所有5例猪均不适合移植；而在经历60分钟温缺血的DCD组中，4例适合移植，1例不适合移植。

初次再灌注期间使用肺热成像技术评估肺功能[12]
为了评估初次灌注阶段再灌注损伤引起的肺循环障碍，使用红外热成像仪（R550Pro，日本Nippon Avionics Co., Ltd.，神奈川县）连续记录肺表面温度。该热成像仪的热分辨率为640 × 480像素，采样频率为30赫兹，灵敏度为0.025°C。由于标准丙烯酸树脂无法透过红外辐射，因此通过安装在器官腔室底部的特殊透明树脂盖（GAT，Asahi Kasei Advance Co., Ltd.，东京）监测下叶背侧的肺表面温度[13]。图3a显示了适合移植和不适合移植的供体肺在8分钟时温度分布和平均肺表面温度的典型变化。在分流阀关闭后的0至8分钟内，适合移植的供体肺下叶表面温度均匀升高，而不适合移植的供体肺下叶边缘区域温度升高受限。8分钟时，不适合移植的供体肺平均肺表面温度显著低于适合移植的供体肺（25.1 ± 0.6 °C vs 27.8 ± 1.2 °C，P < 0.01）。8分钟时判断移植适宜性的肺表面温度临界值为26°C，接收者操作特征（ROC）曲线下面积（AUC）为1.0。在12至120分钟内，两种类型的供体肺表面温度没有显著差异。如图3b所示，8分钟时的肺表面温度与下叶上下中部区域的湿/干（W/D）比率之间存在显著负相关（R = -0.769，P < 0.01）。这些结果表明，8分钟时表面温度较低的区域在EVLP结束后会出现更严重的肺水肿。

使用光学氧饱和度成像技术评估肺氧合[14]
为了定量评估下叶的区域气体交换能力，在EVLP过程中使用高光谱相机（HSi-300，Gooch & Housego Inc.，英国Ilminster）进行光学SaO2成像。该高光谱相机配备了集成分光光度计，可以获取二维图像中每个像素的波长分辨光谱数据。通过分析下叶的多光谱图像中获取的血红蛋白吸收光谱来确定下叶的SaO2。图4a显示了适合移植和不适合移植的供体肺在再灌注和评估阶段1小时时SaO2图像的典型变化。在评估阶段改变FiO2时，适合移植的供体肺下叶大部分区域的SaO2接近100%（红色区域），而不适合移植的供体肺下叶的SaO2明显降低（绿色或蓝色区域）。从FiO2 = 1.0时的SaO2成像计算得出的下叶SaO2与下肺静脉中的P/F比率之间存在强正相关（R = 0.855，P < 0.01）。图4b比较了适合移植和不适合移植的供体肺下叶顶部、中部和底部区域的SaO2值。在所有地区，不适用情况下的SaO2值显著低于适用情况下的SaO2值（P < 0.01）。图4：该图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像：用于评估肺氧合的光学氧饱和度成像。a 下叶SaO2图像的典型变化，以及在FiO2为1.0时通过SaO2成像计算出的SaO2值与下肺静脉中通过血气分析测得的P/F比率之间的相关性。b 比较下叶上部、中部和下部区域在适用情况和不适用情况下的SaO2值。这些发现表明，在EVLP期间对下叶进行光学SaO2成像可以作为一种定量和非侵入性的方法来评估肺氧合情况。

实时肺重量测量作为移植适宜性的早期指标[15]：在EVLP期间进行实时肺重量测量，以作为移植适宜性的早期指标。为此，在器官腔下方安装了两个负载传感器（Load cell Sensor 0–5 kg，Uxcell Co. Ltd.，香港）。为了减少与肺重量变化无关的测量误差，采用了一个“非接触期”，即肺和器官腔未受到接触且灌注参数保持稳定的时间间隔。在每个非接触期间连续测量肺重量增加情况，并假设其变化率为恒定，直到下一个非接触期。通过重复这一过程，获得了整个EVLP期间的连续肺重量增加数据。为了验证这种方法，将EVLP期间2小时的实时肺重量增加与EVLP前后在手术台上测量的肺重量增加进行了比较。观察到两者之间存在强烈的正相关关系（R = 0.979，P < 0.01；图5a）。图5：该图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像：用于评估肺功能的实时肺重量测量。a EVLP后2小时的实时肺重量增加与手术台上测量的肺重量增加之间的比较。b EVLP期间2小时内适用情况和不适用情况下实时肺重量增加的趋势。图5b比较了适用情况和不适用情况下实时肺重量增加的趋势。在灌注40分钟后，不适用情况下的肺重量增加明显高于适用情况下的肺重量增加（51.6 ± 46.0 g vs. -8.8 ± 25.7 g；临界值 = +12 g，AUC = 0.907，P < 0.01）。通过分段线性回归的断点分析，将实时肺重量增加的趋势分为三个阶段。在第一阶段（蓝色线条），代表低流量期，两种情况下的肺重量增加都较低。这可能是由于灌注液的渗透压低于肺组织本身的渗透压，导致液体从组织转移到灌注液中。在第二阶段（红色线条），两种情况下的肺重量增加都有所增加，尤其是在不适用的情况下。当流量增加到估计心输出量的100%时，灌注液在整个肺部分布，导致显著的液体泄漏。在第三阶段（绿色线条），适用情况下的肺重量增加保持稳定，表明没有出现水肿进展。相比之下，不适用情况下的肺重量增加继续略有增加，反映了第二阶段间质空间中cell外液体的积聚，这抑制了进一步的泄漏。这些结果表明，在EVLP期间进行实时肺重量测量有助于早期评估移植的适宜性。

结论：在本研究中，我们开发了三种非侵入性成像和监测技术，用于评估EVLP期间的肺功能：（1）初始再灌注期的肺热成像以评估肺功能，（2）用于评估肺氧合的光学SaO2成像，以及（3）作为移植适宜性早期指标的实时肺重量测量。这些方法对于EVLP期间肺功能的定量和早期评估被证明是有效的。由于这些方法能够实现非侵入性评估，预计它们将在不久的将来应用于临床EVLP中。