左心輔助裝置實驗山羊三例死亡分析

周 欣，陶 涼，康愛梅，張兆鈞，付曉娟，吳華春，丁明星

左心輔助裝置(left ventricular assist device，LVAD)作為心臟移植的過渡和替代治療，其安全性已被眾多實驗證實［1-2］。較之常規藥物治療晚期心力衰竭，其在提高存活率和改善生活質量方面具有較大的優勢［3］。自1986年美國Texas 心臟病研究所首次應用HeartMate1000IP 氣動式LVAD 以來，國內外有學者一直對這種裝置進行研發、改進。軸流式心臟血泵體積小、創傷小、操作簡單，成為國內外血泵研發的重點。國外已有可供臨床應用的軸流泵［4］，國內雖有幾家單位研制，但尚無此類產品問世。我院于2010年5月開始研發軸流式植入式LVAD，至今完成山羊動物實驗3例。本文主要分析與討論安裝LVAD 后引起實驗動物死亡的原因及相關因素，對改進植入式LVAD 方案，降低手術失敗率和減少術后可能發生的并發癥具有重要意義，為植入輔助裝置的臨床應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 3例實驗山羊均來源于實驗動物羊場，為波爾系雜交后備雌性山羊，年齡2歲，體重30～48 kg。圈欄以山羊標準日糧隔離飼喂1 周以上，術前體檢指標良好，無傳染病，排除環境應激，術前2 周進行檢疫、驅蟲并備自體血300～600 ml，禁飼12～36 h，禁飲12 h。

1.2 心尖Ⅱ型軸流泵裝置的基本參數 自制心尖Ⅱ型軸流泵裝置［5］(圖1)分體外控制部分和體內植入部分。體內植入部分為圓柱狀的軸流泵體，總體積42 ml，總重量110 g，外徑26 mm，長度75 mm。泵體外壁為包被電動機定子的筒狀定子外殼，由相容性良好的醫用不銹鋼或鈦合金制成，直徑為18.4～20.6 mm，進、出口由12 mm 口徑的人工血管導引，具體參數:轉速11 000 r/min，壓力100 mmHg，流量5 L/min，功耗12 W，功率15%，入口直徑13 mm。體外動力學輸出實驗證實其轉速為11 000 r/min，可提供5 L/min 的血流輔助支持。體外控制部分由電源電池和控制電路組成。控制電路的工作原理類似于普通的無刷直流電動機，泵轉速通過輸入電壓調節。

圖1 心尖Ⅱ型軸流泵

1.3 儀器設備 麻醉機(NARKOMED2C12662)，多參數麻醉氣體監護儀(Vamos)，心電監護儀(Agilent CM2001、RSM-4101K、MIHON KOHDEN，日本)，全血活化凝血時間(activated clotting time，ACT)測量儀及耗材(ACT Ⅱ，美敦力公司，美國)。

1.4 試劑 羥乙基淀粉130/0.4 氯化鈉注射液(北京費森尤斯卡比醫藥有限公司，中國)，地塞米松(湖北天藥藥業股份有限公司，中國)，氨甲環酸(重慶萊美藥業股份有限公司，中國)，氯胺酮(福建古田醫藥有限公司，中國)，丙泊酚注射液(阿斯利康醫藥有限公司，中國)，利多卡因(山東華魯醫藥有限公司，中國)，氯化鉀(上海海虹醫藥有限公司，中國)，止血敏(湖北天藥醫藥有限公司，中國)，多巴胺(上海禾豐制藥有限公司，中國)，硝酸甘油(河南潤弘制藥有限公司，中國)，肝素(上海第一生化藥業有限公司，中國)，魚精蛋白(上海第一生化藥業有限公司，中國)，異氟醚(德國拜囊有限公司，德國)等。

1.5 LVAD 手術安裝過程 無菌手術符合實驗動物3R 原則，在華中農業大學動物醫學院小動物手術室進行。山羊置自制多功能動物手術床［6］右側臥保定，麻醉前給藥:阿托品0.03 mg/kg 肌內注射;麻醉誘導:氯胺酮3 mg/kg 肌內注射。①頸靜脈置管［7］完成后，補充容量，氯胺酮與丙泊酚按1∶ 2 配比，持續靜脈注射以維持麻醉。②氣管插管:用舌鉗將實驗羊的舌頭拉出，左手持自制喉鏡在舌面上向前推進，右手持插有導絲的導管向下推軟腭，使其與會厭分開，找到氣管開口處，將導管迅速從氣管開口處插入。拔除導絲，看到導管內有霧氣，表示插管成功。從導管上的氣囊中注射5 ml 空氣以固定導管，同時用繃帶將導管口固定，接上麻醉呼吸機和心電監護儀。呼吸機機械通氣，15/min，潮氣量7 ml/kg;或輔以異氟醚吸入麻醉，約10 min，實驗山羊的自主呼吸消失。③實施導尿，監測有創動脈血壓、心電圖、血氧飽和度、血象、血氣及血清生化指標，經靜脈給予肝素(1.5 mg/kg)，使得ACT 值達400 s 以上。術前靜脈推注頭孢唑林鈉1.5 mg、地塞米松10 mg。④心尖部植入LVAD［8-9］，血泵出口經人工血管與降主動脈吻合。剪開心包膜暴露左心室心尖部位，在心臟不停跳的情況下，血泵入口插管從左心尖插入，建立“左心室－LVAD－降主動脈”體循環輔助旁路(手術步驟見圖2)，實行左心室輔助，測定裝置各項數據。血泵驅動線經胸部切開下方引出，檢查無出血后，放置胸腔引流，關胸。監測并維持血氧飽和度、血壓和電解質平衡，每5 h 查一次血漿游離血紅蛋白了解LVAD 對紅細胞的破壞情況。及時調整ACT 值及肝素的用量。術中和術后給予補液、抗感染、抗凝治療。

圖2 左心輔助裝置手術安裝過程

1.6 術后護理 術后恢復山羊俯臥體位，待山羊恢復呼吸后，停止呼吸維持，拔除氣管導管，轉運至重癥監護室進行監護，蘇醒并拔除呼吸插管后即給予進食。每小時記錄山羊狀態，包括體溫、呼吸、血氧飽和度、血壓及進食及排便等情況。每2 h 測ACT一次，術后靜脈滴注肝素抗凝［3 U/(kg·h)左右］，確保ACT 值維持在120～250 s［10］。

1.7 數據采集 術中經LVAD 左室測壓空測左心室流量及LVAD 監測儀記錄運行參數，包括泵轉速、電流、電壓等。術前和術后每5 h 查一次血常規、每24 h 查一次血尿素、肌酐，了解血泵對血細胞破壞及腎功能損害情況。

1.8 尸解和病理分析 山羊循環系統或呼吸系統活動停止6 min 以上，被確定為死亡。動物死亡后隨即進行解剖，取出血泵后，檢查血泵泵體內、入口和出口流道內有無血栓形成。肉眼觀察心臟、肺、肝、腎、脾等主要臟器有無梗死灶病理變化，并對其做常規組織學病理切片檢查。

2 結果

例1、2 實驗山羊術中Ⅱ型軸流泵裝置順利安裝，術中監測當Ⅱ型軸流泵裝置轉速達8000～10 000 r/min可維持實驗山羊的正常血壓，LVAD 流量達4～5 L/min(圖3～5)。麻醉停藥10 min 后恢復自主呼吸，術中阻斷降主動脈支20～30 min 后，導尿引流出現絳色尿液。術后觀察指標數據(例3實驗山羊術中死亡，無術后觀察數據)見表1。

例1 實驗山羊術中輸入300 ml 異體配型血及400 ml 回收血，術后15 min 即可站立，體溫在術后2 h恢復正常，維持在38.2～39.1℃，3 h 后尿液恢復為淡黃色。19～27 h 采食少量青飼并有反芻現象;術后血漿游離血紅蛋白顯著高于正常值(表1)，并排血紅蛋白尿，提示紅細胞嚴重破壞。術后第1、2 天查尿素、肌酐增高(表2)，提示腎功能損害。28 h時術部創口開始滲血，并出現咳嗽現象，34 h 時ACT 448 s，超出正常值，41.7 h 時死亡。解剖可見胸、腹皮下淤血、膠凍樣水腫;胸腔積聚大量血液和血凝塊，壓迫左肺塌陷;心尖部輔助裝置與人工血管接頭部松脫，血泵內可見血栓;肝臟呈灰黃色，被膜蒼白;腎臟切片平整，被膜與實質易剝離;腸及腸系膜灰白。組織病理學檢查可見局部心臟組織間質內紅細胞淤積;肺組織漿膜水腫，間質內較多嗜中性粒細胞浸潤;大部分腎組織近曲小管腫脹、溶解，部分動脈內血栓形成。

例2 實驗山羊術中輸入300 ml 自體備血及1500 ml 回收血。術后不能自行站立，出現短暫氣胸，體溫37.3～38.5℃，排水樣糞便，術后10 h 后尿液恢復為淡黃色。術后血漿游離血紅蛋白、尿素、肌酐(表1、2)顯著高于正常值，提示紅細胞被破壞、腎功能損害。5～7.5 h 采食極少量青飼并有反芻現象，10 h 時術部創口開始滲血，咳嗽。19.5 h 時死亡。剖解皮下未見淤血，但有氣體蓄積，胸腔仍有血液與血凝塊積聚。左肺塌陷，右肺代償性氣腫;心尖部輔助裝置各接頭及人工血管吻合口完好，左心室測壓穿刺孔處有大量血凝塊附著;腹腔臟器呈蒼白、灰黃。組織病理學檢查肺組織間質及部分小支氣管內嗜中性粒細胞浸潤，局部血細胞充盈;肝組織結構清晰，中央靜脈擴大;腎組織部分腎小球內毛細血管充血，有部分動脈內血栓形成。

例3 實驗山羊術中LVAD 安裝監測完畢后，由于遠端血管吻合口吻合不良，致術中大量出血，輸入自體備血600 ml 及回收血液1500 ml;同時輔助裝置測壓孔(測左心室壓力)金屬連接不完善，致輸出端漏氣，心室內形成大量氣栓，心臟停搏，實施手術3.5 h 時死亡。

表1 例1、例2 實驗山羊左心輔助裝置安裝術前、術后血漿游離血紅蛋白含量變化(mg/L)

表2 例1、例2 實驗山羊左心輔助裝置安裝術前、術后腎功能變化(mmol/L)

圖3 例1 與例2 實驗山羊左心輔助裝置安裝術中平均動脈壓比較

圖4 例1 與例2 實驗山羊左心輔助裝置安裝術中血泵流量比較

圖5 例1 與例2 實驗山羊左心輔助裝置安裝術中血泵轉速比較

3 討論

3.1 LVAD 設計與制作 研制可長期植入人體的LVAD 面臨多學科如機電學、流體力學、生物材料學、醫學等交叉學科結合研究的復雜問題［11-12］。①LVAD 設計:LVAD 外形尺寸適應人體縱隔體腔自然間隙，針對兒童、成人或者體重不同的患者，LVAD的尺寸型號設計也不同;LVAD 應盡量減小對相鄰器官的壓迫，便于手術安裝及長期植入體內，故LVAD 研發團隊人員應由醫學專家和機電專家組成;②LVAD 制作:在例1 動物實驗中出現Ⅱ型軸流泵與人工血管接頭部松脫，血泵內可見血栓，例2 動物實驗中出現Ⅱ型軸流泵左心室測壓孔斷裂，說明在LVAD 制作的工藝加工上應精細，各鏈接管道要牢固，不能松脫，避免由于鏈接管道松脫致實驗動物術后出血死亡;同時，選擇組織相容性能好的材料，避免溶血;③例1、2 實驗山羊術后血漿游離血紅蛋白、尿素、肌酐顯著高于正常值，提示紅細胞被破壞、腎功能損害;尸體解剖取出血泵內血栓，顯示Ⅱ型軸流泵機械軸承摩擦導致血栓和溶血，需要對Ⅱ型軸流泵進行改進，我們已經開始研發新的磁懸浮軸流血泵，磁懸浮人工心臟泵的特點是無機械軸承接觸帶來轉子無摩擦、無潤滑、長壽命等優點，消除了機械磨損和摩擦，可降低血液損傷程度［13-14］。

3.2 LVAD 實驗山羊與植入手術 參考國內外經驗和本實驗特點，選用波爾系雜交后備雌性山羊作為實驗模型，波爾系雜交山羊性情溫順，利于實驗人員對其進行體檢、采血等操作。選擇成年健康山羊體重達40 kg 以上為佳，40 kg 以上山羊其胸腔心臟體積與人類接近，胸腔術野清晰便于操作。術后山羊自然俯臥位易于胸腔引流，避免血液在胸腔內聚積，壓迫鄰近臟器。LVAD 植入術中注意事項:①在對山羊實施手術時最好有熟悉山羊解剖的獸醫專家參加，可減少手術中由于術者對山羊解剖不熟悉造成誤損傷，節省時間，提高手術成功率，減少術后并發癥。②氣管插管和靜脈麻醉時嚴密觀察實驗山羊的全身情況，如果發現山羊腹脹，立即減少麻醉藥物用量;同時，盡量減少氯胺酮與芬太尼的用量，可使實驗山羊手術后立即蘇醒。本研究在預實驗中有1例實驗山羊因術中麻醉藥物用量較大致術后2 h 后才蘇醒。③術者固定，不宜頻繁更換，致操作不熟、配合不好，延長手術時間。④實驗山羊麻醉蘇醒后實驗人員不要圍觀，以免影響手術攝像效果，不利于實時科研影像資料的采集。⑤術后應該盡早誘導實驗山羊采食青飼，以滿足營養代謝需求和維持內環境酸堿平衡，促進消化功能的恢復。⑥術后每2 h測ACT 值一次，及時調整肝素用量。本研究中例1、2 實驗山羊在術后28、10 h 出現傷口滲血，ACT ＞300 s。血液指標的監測應與動物體征結合，提前制定采集血樣計劃，盡量減少采樣次數，降低對實驗動物刺激。需要提示的是，ACT 監測在體內大量出血的狀況下無法指導抗凝治療方案的制訂。

綜上所述，成年山羊可作為LVAD 實驗動物模型，胸內術部出血和氣栓形成是導致實驗動物術后近期死亡的主要原因。改進心室輔助裝置植入各連接管道的工藝制作、提高血管吻合技巧、減少胸腔內可能對肺部擠壓的因素、加強圍術期血容量維護和營養支持、早期抗凝治療等都可有效提高實驗動物存活率。

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