體外心肺復蘇動物模型的研究進展

蔡金霞 ，劉燕青 ，劉子泉 ，李文莉 ，陳原森 ，王海旺 ，史 源 ，韓 偉，樊毫軍 ， 張偉麗

心臟驟停（Cardiac Arrest，CA）是一個全球性的重大公共衛生問題[1]，每年我國院外因CA而死亡的人數高達54.4萬[2]，院內和院外的存活率分別為24.9%和12%[3-4]。1992年，美國心臟協會發布了“生命鏈”（Chain of Survival）理論，2000年國際上出臺了第一部心肺復蘇（Cardiopulmonary Resuscitation，CPR）指南標準[5]，這為CA患者帶來了福音[6]。隨著CPR技術的推廣與普及，使得CA患者的存活率得到了提升。然而，由于救治的時效性和預后等問題，導致心肺復蘇后的高發病率和死亡率仍然存在[7]。在過去的幾十年里，體外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）已被用作急診科、重癥監護室或導管室中“難治性CA”患者的替代復蘇方法[8-11]。最近的一系列研究表明，與傳統的CPR技術相比，采用ECMO策略進行血液動力學支持的體外心肺復蘇（Extracorporeal Cardiopulmonary Resuscitation，ECPR）可以在一定程度上提升院內和院外CA患者的生存率，改善神經系統預后[12-18]，可以使其生存率達到40%至50%[19]。ECPR將體外血液循環與氧合作為復蘇工具[20]，越來越多地被用于CA患者的緊急救治，逐漸發展成為“難治性CA”的一種可行的救治手段[21]。

目前ECPR技術在臨床上的應用尚不成熟，而建立穩定、可靠的動物模型探索ECPR的適應癥、啟動時機、臟器保護機制等問題，對于該技術的實際應用具有重要的意義。當前ECPR相關動物實驗研究最常采用的實驗動物多為豬和大鼠，其各具優勢，不同研究針對的側重點也有所不同[22]。因此，本文對目前ECPR相關的動物實驗研究進展進行綜述，主要包括以大鼠和豬為主的ECPR動物模型的實驗動物選取、模型建立方法以及檢測指標方面目前主流的研究方法，以期對ECPR基礎研究現狀有所了解，對后續實驗研究方向有所推進和拓展。

1 實驗動物的選取

目前已有研究多選取豬和大鼠制作ECPR模型[1,18,20,22-34]。 選擇大型動物制作模型可以更好地模擬ECPR的臨床環境，但其需要較多的成本和勞動力[22]；而小動物具有獲取方便，價格低廉，心血管解剖結構及功能與人類相近，可在基因及分子水平進行干預等優點[33]。

1.1 大鼠CA模型普遍采用健康的成年雄性SD（Sprague Dawley，SD）大鼠，體重范圍多為450～550 g[22,32-34]。在慢性疾病的基礎上建立CA大鼠模型的研究比較少見，主要是因為其操作難度大，模型制作周期較長[22,32-34]。目前，ECPR大鼠模型已初步建立，大多數研究采用窒息法致大鼠CA[32-34]，也有研究采用電刺激法誘發室顫（Ventricular Fibrillation, VF）致CA[22]，一般窒息性CA會產生更嚴重的心肌損傷和線粒體損傷模式，而VF模型由于其操作難度大，缺乏穩定性和可重復性[9]。二者均采用靜脈-動脈（Venous -Arterio，V-A）ECMO模式輔助下進行ECPR[22,32-34]。

1.2 豬CA模型研究一般采用雄性成年豬，體重范圍在35～65 kg[6,8,24,28,35]之間。豬ECPR模型的制作方法較多：大多數研究采用電刺激法[18,20,26-31]和冠狀動脈結扎法[1,23-25]，二者均可導致VF，繼而引發CA；采用窒息法誘導CA的研究較少[9,36]；有研究采用35%控制性失血制作失血性休克模 型，然后給予氯化鉀以引發CA；此外，還有研究采用一氧化碳中毒直至中樞衰竭誘發CA。

2 動物模型的建立方法

2.1 麻醉及ECMO循環準備麻醉藥物多選用七氟烷[32]（誘導和蘇醒較現有的強效麻醉藥快，對心血管影響比異氟烷小）、異氟烷[33-34]或七氟醚[22]誘導并維持麻醉，多采用氣管切開[32-34]插管，并給與保護性機械通氣，采用經口氣管插管[22]進行呼吸維持的模型較少。

ECMO系統大多采用滾壓泵，普通管路（暫無肝素涂層），管路預充液多為羥乙基淀粉[32-34]。大鼠V-A ECMO循環通路一般通過右頸外靜脈-尾動脈[32-33]或右頸外靜脈-右股動脈[34]建立，而豬則通過頸內靜脈-股動脈[8]或股靜-動脈[9,36]建立。血管均用絲線遠端結扎，近端固定，ECMO管路夾閉備用[32]。

2.2 窒息法致大鼠CA模型斷開呼吸機并夾閉氣管插管，記錄窒息至復蘇各階段的時間，監測平均動脈壓（Mean Arterial Pressure，MAP）。當MAP低于25 mmHg[32-33]或20 mmHg [34]以下，判定大鼠窒息性CA成功，非干預間隔4 min[32-33]或6 min[34]后開始搶救。

2.3 電刺激法致大鼠CA模型起搏導管經右頸外靜脈推進約5 cm到達右心室內膜誘導VF。將粘附性除顫手柄固定在側胸，連接雙相手動除顫器，循環管路預充15 mL平衡晶體溶液。VF前90 s，關閉七氟醚，用50 Hz/5 mA交流電持續刺激2 min誘發VF，如發生自發性除顫，重復刺激30 s。心電圖和MAP讀數證實VF后，拔除起搏導管。CA 持續10 min后開始搶救。在復蘇后2 min嘗試除顫（2次電擊/5 J），此后每隔2 min進行一次除顫[22]。

2.4 電刺激法致豬CA模型豬的電刺激法實驗步驟與大鼠類似，對于發生VF不同時間（6 min[27]、8 min[29]12 min[8]、15 min[31]、20 min[18]、30 min[28]）后的豬，進行CPR 2 min[8]或 45 min[30]后再進行ECPR支持一定的時間（4 min[8]、5 min[31]、6 min[29]，30 min[28]），然后除顫，繼續體外生命支持2 h[31]、3 h[30]、6h[18,28]或24h[27]。MAP>60 mmHg持續20 min或收縮壓>80 mmHg定義為自主循環恢復（Restoration Of Spontaneous Circulation，ROSC）[8]。

2.5 心臟缺血法致豬CA模型有文獻對19種心力衰竭V-A ECMO模型進行了綜述，發現冠狀動脈左前降支結扎誘發心力衰竭的共9篇[25]，可見該方法在大動物ECPR模型中比較常用。CA 5 min[1]后，開始常規的CPR 15 min[1]、20 min[24]，之后在正常體溫下啟動ECPR，ECMO血流量為65～70 ml.kg-1[23]，總持續時間為240 min[1]、6 h[24]。動物分別在ECPR的20 min[1]或120 min[1]時隨機進行早期或晚期冠狀動脈再灌注。

2.6 窒息法致豬CA模型采用低氧法在完全神經肌肉阻滯下進行窒息誘發CA，4.5 min后啟動機械通氣，進行胸部按壓5 min （100次/min），股動脈、靜脈置管建立ECMO循環通路，ROSC目標為MAP 達到60 mmHg以上，6 h后終止實驗，心臟內注射氯化鉀處死動物[9,36]。

3 ECPR的建立

連接呼吸機并開放氣管插管，采用純氧[32-33]或95%氧[22,34]進行通氣。然后行ECPR，使用心肺復蘇機進行胸外按壓，監測呼吸、血流動力學及血氣指標[33]。如果心臟沒有自發復律，則給予一定劑量腎上腺素和8.4%碳酸氫鈉等藥物，以糾正代謝性酸中毒[34]。若持續搶救≥15 min或20 min[22]，仍無 ROSC，則判定復蘇失敗[32]。復蘇后觀察30 min[22]、1 h[33]、1.5 h[32]或2.5 h[34]后，停止所有輔助治療，ECMO流量逐漸減少，撤除管路，過量麻醉處死實驗動物并取材[32]。

4 檢測指標

檢測實驗動物的基線資料如體重、肛溫、MAP、心率等，持續監測呼吸、血流動力學，分別于手術前5 min[22]、30 min[32]，大鼠在ROSC后5 min[22]、15 min[22]、30 min[32]或1 h[34]采動脈血進行血氣及血細胞比容分析，豬分別在基線期、復蘇時以及復蘇后1、2、4和6 h[8,26,29]獲取血流動力學和血液樣本。如果動物未飲水，體重減輕，皮下注射晶狀液。在出現痛苦癥狀時每天皮下注射丁丙諾啡兩次[22]。收集血清和尿液等樣品的生理參數，以及對腦和腎臟、心臟等組織進行病理學觀察。

5 展 望

隨著ECPR動物模型建立方法的不斷優化，有助于更方便、更有效地認識ECPR治療過程中產生的并發癥與其發展規律，從而研究相應的防治措施。ECPR作為一種復雜的多學科合作診療的體外生命支持技術，用于院外、院內心臟驟停患者的病例逐漸增多[32]。國內外已有研究表明，在專業團隊的指導下實施ECPR可有效提高患者的存活率。由于ECPR在公共衛生領域應用數量的逐年增長，其在戰場重傷急救中也逐漸體現了潛在的可行性和應用價值。因此，相信隨著廣大的科研人員對相關領域的不斷深入研究，ECPR更深層次的機制探索也會給臨床的治療手段帶來新思路。