植入式磁液懸浮心室輔助裝置的動物長期體內評價研究

許劍，范慶麟，朱塵琪，趙廷彪，劉曉程，劉志剛，陳鐵男，張杰民

1.航天泰心科技有限公司，天津 300457；2.泰達國際心血管病醫院 心外科，天津 300457

引言

心力衰竭已成為全世界重要的公共衛生問題，我國心衰發病率近1%，每年新增發病數可達數百萬，隨著老齡化的加劇將日益嚴重。終末期心力衰竭患者藥物治療效果不佳，最有效的心臟移植受供體所限難以成為常規治療方法。

心室輔助裝置（Ventricular Assist Device，VAD）作為在心臟供體嚴重受限情況下的一種心衰有效治療方法，在歐美等發達國家應用廣泛，可以作為晚期心衰患者的過渡到恢復、過渡到移植以及終點治療。本研究采用我國自主研發的HeartCon型植入式磁液懸浮心室輔助裝置（以下簡稱為“HeartCon血泵”）建立左心輔助動物實驗模型，為國產心室輔助裝置的臨床應用提供有效的評價依據。

醫療器械動物實驗的主要目的是研究醫療器械的安全性，在研究過程中是否能建立一個符合性較好的動物模型是本實驗能否成功的關鍵所在。在動物實驗模型建立適當的情況下，有效性研究也可以作為醫療器械動物實驗的重要內容，即實驗器械的實際使用情況和預期用途的符合性，進而作為是否可以轉入人體進行臨床研究的輔助參考。

1 材料與方法

1.1 實驗動物的選擇

鑒于心室輔助裝置植入部位（心尖）的特殊性并參考國際上VAD的體內評估經驗，該裝置在進行動物實驗時不能選用常規的兔、鼠等中小型實驗動物，國際左心輔助實驗動物一般選擇豬、牛、羊等大動物。本實驗選擇12月齡至3年、體重70～100公斤的健康改良小尾寒羊（n=6）作為實驗動物[1]，體重大小和人體接近，適合用于人體的體外循環管道、儲血罐和氧合器[2]。實驗動物的管理符合《實驗動物管理條例》（2017年3月1日修正版）。

本實驗項目通過泰達國際心血管病醫院實驗動物福利倫理審查委員會的審查，倫理批號為TICH-JY-20171107-1。

1.2 實驗器械的準備

植入式磁液懸浮心室輔助裝置主要由血泵[3]、控制器、供電設備、植入手術用組件、植入手術用工具、人造血管保護架、附件及監控軟件組成。血泵主體由鈦合金制成，具有良好的生物相容性[4]。實驗用器械的質量管理體系符合《醫療器械生產質量管理規范》、YY/T0287-2018 idt ISO 13485:2016、GB/T19001-2016 idt ISO 9001:2015及其它適用法律法規、標準。

1.3 實驗方法的建立

在泰達國際心血管病醫院動物實驗中心的標準層流動物手術室內完成所有手術操作。根據ANSI/AAMI/ISO 14708-5:6.111的要求進行器械體內評測。

1.3.1 麻醉和術前準備

術前禁食24 h，禁水12 h。備皮，進行剪毛處理。靜脈復合麻醉前60 min肌肉注射長托寧2 mg，麻醉前30 min應用陸眠寧0.6～1.0 mg/kg肌肉注射。手術切口區域皮膚用2%葡萄糖酸氯已定醇皮膚消毒液擦拭兩遍后，用碘伏消毒兩次。大隱靜脈穿刺，留置靜脈通路。連接心電監護設備監測心率變化。左耳中動脈穿刺保留動脈置管，連續監測動脈血壓。給予氯胺酮1 mg/kg靜脈注射，待羊睫毛反射消失后進行誘導氣管插管和中心靜脈穿刺。

1.3.2 建立心室輔助模型

由于羊的胸腔形態和人體存在一定差別，其胸腔左右窄、前后寬，手術宜采用側胸切口。故經左側第五肋間進胸，顯露主動脈弓降部、降主動脈、心臟和肺動脈。剪開心包，顯露心臟及心尖部位，選擇合適的HeartCon血泵植入位置并標記，完成人造血管遠端與降主動脈切口的端側吻合（圖1）。觀察吻合口是否滲血或出血。理順人造血管，無扭曲和打折。

圖1 人造血管與降主動脈的吻合

根據心尖位置，將HeartCon血泵導線于第六肋間引出至肋骨上方。充分暴露心尖，在心尖選擇心室縫合環的適宜部位間斷縫合（圖2）。

圖2 心室縫合環的縫合

用小尖刀十字切開心室縫合環內心肌，采用自制心室打孔器完成心尖打孔，將血泵迅速插入心室，調整血泵位置滿意后旋緊螺絲。隨后啟動血泵，將轉速設置為2300～2500 rpm，排氣后開放人造血管，完成左心室到降主動脈的輔助循環（圖3）。

圖3 HeartCon血泵植入

將超聲流量探頭（型號9PXL, Transonic System, Ithaca,NY, USA）套于人造血管外，監測HeartCon血泵流量。認真檢查各處切口，充分止血后置胸腔引流管。調整呼吸機參數同時肺膨脹滿意后，逐層關胸至術終。HeartCon血泵的左心輔助動物模型建立完成。

1.3.3 術后治療、護理

術后早期將實驗動物置于術后固定架中，停留于手術室內，以連續監測主動脈壓和泵流量，并觀察動物是否出現任何痛苦跡象。拔管后12 h內，實驗動物被允許進食。待實驗動物的生命體征穩定、血泵正常運轉后，轉移至動物ICU內，進行常規監護和治療，并定期進行常規血液學和生化檢測，檢測頻率為術后前兩周每天檢測，如情況穩定隨后每周檢測一次直至實驗終止。檢測項目包括但不限于白細胞、紅細胞、血紅蛋白、紅細胞壓積、血小板計數、游離血紅蛋白、白蛋白、總膽紅素、結合膽紅素、乳酸脫氫酶等[1,5]。

1.3.4 實驗終止策略

HeartCon血泵植入后實驗動物存活90天即達到研究終點，可按實驗計劃實施終止實驗：靜脈加深麻醉，肝素3 mg/kg靜脈注射。3 min后，10%氯化鉀快速靜脈推注，實施實驗動物的安樂死[6]。如果實驗動物遭受痛苦或意外的痛苦（不是實驗本身引起的，且是實驗開始前未預料到的），應實施仁慈終點，提前進行安樂死。

安樂死實施完成后，停泵，對實驗動物的外表皮及經皮導線出口位置進行檢查并拍照。開皮，檢查經皮導線通道并拍照。肉眼觀察心臟、肺、肝、脾、腎、胃腸、腦等主要臟器有無梗死或病變，并對其進行拍照和常規組織學病理切片檢查。注意觀察血泵入口通道和出口人造血管、主動脈、心室內是否存在纖維蛋白鞘或血栓，仔細觀察泵內是否有血栓。

2 結果

2.1 實驗動物

截止至2018年5月11日，6只左心輔助實驗動物均健康存活超過90天（圖4）并均已接受安樂死（實驗動物信息，見表1），其中5只存活超過150天，最長健康存活超過180天，整個研究過程遵守動物福利制度。

圖4 研究團隊與6只實驗動物合影

表1 實驗動物信息

選取術前、術后第0（術后第1天）、2（術后第14天）、4、6、8、12周的血液及生化結果進行統計分析。血液學結果顯示術后經抗炎治療白細胞水平得到良好控制，術后2周逐漸恢復至正常水平；紅細胞、血紅蛋白和血小板總量及紅細胞壓積由術后早期的較低水平逐步升高；血漿游離血紅蛋白始終維持在正常范圍，圍術期該指標均低于61 mg/L（即6.1 mg/dL）；凝血指標顯示其凝血酶原時間國際標準化比值在1.2～3.5范圍內。生化結果顯示尿素、肌酐、丙氨酸氨基轉移酶、白蛋白、天門冬氨酸氨基轉移酶、膽紅素、γ-谷氨酸轉肽酶及乳酸脫氫酶含量在圍術期均有不同程度的升高，術后兩周逐漸恢復并維持正常水平至實驗終止，這幾項指標共同說明了植入HeartCon血泵后實驗動物的肝腎功能并未受到明顯影響。

實驗動物術前及術后主要生理指標檢測結果的統計數據，見表2。

表2 實驗動物術前及術后的血液學和生化數據（平均值±SD）

2.2 HeartCon血泵

在體植入期間運行正常（圖5），未出現任何與血泵性能相關的報警事件，HeartCon在體重要血流動力學參數變化范圍，見表3。

圖5 4號實驗動物存活165天時的X光片

表3 HeartCon在體重要血流動力學參數的變化范圍（±s）

表3 HeartCon在體重要血流動力學參數的變化范圍（±s）

動物序號 主動脈壓 (mmHg)泵流量 (L/min)平均轉速 (r/min)1 83.5±6.1 1.8±0.5 2532±75 2 78.1±7.5 1.1±0.4 2480±39 3 85.2±6.3 1.0±0.3 2507±42 4 83.8±4.6 1.3±0.4 2520±67 5 82.0±6.7 1.9±0.4 2587±65 6 79.8±13.3 1.1±0.3 2497±52

觀察HeartCon血泵的入口及出口管路（圖6），除1號因手術原因出現人造血管近主動脈端狹窄變形外，其他實驗組均未見血栓等異常。泵內均無血栓。

圖6 HeartCon血泵出入口管路解剖圖

2.3 組織學檢查

經皮導線出口處均存在少量分泌物，但周邊皮膚彈性良好，與絲絨生長緊密；除1號實驗動物皮下隧道發現部分膿性分泌物外，其他實驗動物的皮下通道光滑，無分泌物（圖7）；腎臟均有不同程度的局部梗死（圖8），但生化結果顯示其腎功能處于正常范圍內，且有實驗證明[7]該病變不會對動物健康產生重大影響。1、3、4、6號心內膜存在增生現象（圖8），其他組織和臟器未見異常病變。

圖7 經皮導線通路

圖8 異常組織的病理結果

3 討論

心室輔助裝置是國際公認的心衰治療手段，FDA已批準多款產品用于心衰患者的過渡治療甚至終生輔助治療，并已在多個發達國家被納入醫保。但在中國，國外產品不但價格昂貴大部分患者無力負擔，并且還未通過國家食品藥品監督管理總局的注冊審批。目前國內尚未有國產化的同類器械上市銷售，因此HeartCon血泵作為擁有獨立自主產權的國產心室輔助裝置，其順利研發和上市能為心衰患者提供有效支持和幫助，不僅救治生命，還能提高生存質量。

對于HeartCon血泵這種三類醫療器械來說，安全性是首要考慮的因素。GB/T16886系列標準規定的試驗方法和直接植入后的試驗方法相比較，后者更接近于客觀實際，植入性器械進行臨床研究前僅采用前者的方法對受試者而言存在很大的風險性。這也就是25號令（《醫療器械臨床試驗質量管理規范》）中要求進行動物試驗的原因，不能用生物相容性試驗替代動物實驗。當然，由于動物實驗和生物相容試驗過程中存在大量不可控制因素，加之動物實驗模型與人體反應的差異，以及人體本身的個體化差異，使動物實驗和生物相容性試驗存在一定的局限性。因此，醫療器械臨床研究階段才是其有效性驗證的關鍵階段，也是安全性的另一驗證階段。

在動物實驗準備階段，除了選擇合適的動物品種外，根據3R原則確定適當的動物數量有利于證明實驗結果的科學性及有效性，參考國內外同類產品的體內實驗經驗[7-8]：無論是適用于兒童植入的Jarvik 2000[9]或目前世界上應用非常廣泛的HeartWare[1,6-7]、HeartMate系列[10]，均采用了6只動物作為實驗對象。綜合上述研究設計經驗，本研究的實驗動物數量確定為6。

關于實驗終點的確立，研究前對國內外同類文獻資料進行了總結，發現國外相關研究一般將實驗終點設置為術后存活30～100天[1,9,11]，而國內左心輔助裝置在進行實驗時通常設置為術后存活30～60天[12-13]，基于對以上信息的分析和對HeartCon血泵的性能評估，本研究將實驗終點設定為術后存活至少90天。此外，在過往國內VAD的體實驗動物研究中，已報道的最長存活個例為135天[14]，而在本研究中，除2號實驗動物因研究需要在到達實驗終點后立即實施安樂死外，其他5只均存活超過150天，其中5號實驗動物存活180天，為HeartCon血泵的長期植入提供了安全性及有效性的支持依據。

在醫療器械的全生命周期內，質量控制是關鍵[15-16]。除建立標準化質量管理體系外，證明器械安全性和有效性的各項測試及實驗也需要符合相關法規標準。就本研究中的動物實驗而言，選擇合適的實驗動物，建立規范的動物術前、術中和術后操作護理SOP，制定以3R原則為基礎的動物福利制度，從而保證動物實驗結果的真實性、規范性和可靠性，為后續臨床試驗奠定基礎。

4 結論

綜上所述，HeartCon型植入式磁液懸浮心室輔助裝置的動物實驗研究在參考國內外相關研究經驗的基礎上，嚴格遵照有關法律法規及標準的要求，制定并執行規范化SOP，確保研究的科學性和結果的真實性。在體植入期間，實驗動物的生理和精神狀態良好，血液及生化指標基本在正常范圍內，并未出現任何與設備相關的故障事件，實驗終止后解剖結果顯示植入的HeartCon血泵并未對動物重要臟器及組織造成過大損傷，即使植入長達180天也并未產生血栓，具有良好的生物相容性和穩定的機械性能。該研究為HeartCon的臨床前評價提供了強有力的技術支持，并為后期臨床應用積累了寶貴的理論及實踐經驗。

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