第一节 机械灌注保存研究基础

一、机械灌注背景

自1998年以来，在器官共享联合网（UNOS）注册肾移植需求病人的数量以2 400例的速度增长，换而言之，如果每年从额外多于1 200名供体中得到2 400枚肾脏，或者放宽肾源供体验收标准，则等待队伍将不再变长。文献显示心脏死亡供体是脑死亡供体的2~4.5倍，充分利用心脏死亡供体，获取的肾源将使总供应量提升40%。目前医院99%脑死亡供体所提供的肾脏是可用的，但对于无心搏供体由于一方面能接受的缺血时间不确定，另一方面供体心脏停搏前的生命条件、所患疾病以及年龄等复杂因素均决定了器官的质量，此外如器官免疫力和心血管状态等多种因素会使器官移植效果变得复杂与不确定。器官移植是唯一能够有效治疗终末期器官疾病的方法，但由于器官供需之间的矛盾日益突出，使得器官体外保存期间的活性维持成为移植成功的前提和基本保障，故有效延长保存器官时限对器官移植而言意义重大，并已成为打破该领域临床应用的突破口之一。

维持低温环境是保护离体器官细胞组织的基础，其保护机制为：器官获取和局部缺血导致能量和氧气供给缺乏，使器官细胞迅速从有氧代谢转化为缺氧代谢，生成乳酸和质子，并发生细胞去极化现象，进而导致离子浓度失衡和细胞坏死。研究发现质子和钙浓度上升是导致细胞死亡的直接原因。然而，生化反应的基本原理都是分子活动和迁移，且其由所获得的热量支配，换而言之，温度降低会导致分子活动减慢，从而使细胞内生化反应活动随之成比例衰弱。研究证明，随着与局部缺血缺氧有关的化学过程被中止，离体器官的进一步恶化也得到有效阻止，表2-1列出了低温环境对局部缺血的器官带来的主要影响。

传统离体器官有两种保存模式：静态冷保存（SCS）和机械灌注保存（MP）。由于前者操作简单便利，成本相对较低，后者装置复杂、成本昂贵，故SCS成为各器官移植中心的首选。美国器官获取与移植网（Organ Procurement and Transplantation Network）数据显示，目前仅20%肾脏利用HMP方式保存。但是临床研究表明，MP相比SCS能够给离体器官提供更好的早期保护，例如肾移植，MP能够有效抑制二氧化碳对肾脏的破坏，减少移植肾脏功能延迟恢复时间，同时，其能够更有效提升移植肾存活率和微循环完整性。此外，研究表明低温机械灌注不但有助于提高受者术后生存率，而且增加离体器官保存期间的氧气供应与物质能量补充，改善其复灌后的能量代谢，减少脂质过氧化物的蓄积，降低氧化应激损伤，有助于改善术后器官功能。而在SCS方式中，冰水混合液对器官细胞具有一定破坏性，且静态保存的养分消耗也易使器官失活，MP的应用日益增加。

二、机械灌注研究基础

20世纪70年代，国外器官移植中心开始将机械灌注技术用于肾脏器官的运输和保存，在低温条件下，机械灌注装置通过模拟动脉搏动反复循环灌洗离体器官，同时不断为其提供能量代谢底物，维持组织细胞的平衡，以降低肾功能延迟恢复（DGF）发生率。到90年代初，虽然低温机械灌注的临床应用被重新提及，但研究者们在移植存活率的问题上仍有争议：一方面，机械灌注所需人力资源较多，后勤和维护成本要求更高，且传统冰水混合静态保存是安全有效的；另一方面，虽然机械灌注更有利于延长器官保存时间，但对于已被热缺血损伤的器官来说，延长冷缺血保存时间反而会给移植带来更多的负面影响，如心脏死亡供体（NHBD）器官，故要尽可能缩短热缺血时间，换而言之，机械灌注方式仅有利于有心搏供体器官的短期保存，以满足急需器官移植的病人，同时在机械灌注过程中，不同器官的生理参数与动力学特征具有差异：

1.心脏保存　

临床医学普遍认为，对供心利用SCS保存，其冷缺血的安全时间限制在4~6小时，如果在8~10℃条件下对心脏持续灌注5小时，心脏容积负载指数可恢复至缺血前水平，但是若在4℃条件下利用SCS保存5小时，虽然其生化特性和微结构特性与前者相似，但心脏心肌无法恢复至初始收缩状态。虽然低温机械灌注有望恢复心脏收缩能力，但由于心脏保存的关键参数如溶液成分、灌注温度、灌注压力、流速等均受到心肌水肿的条件限制，并带来很大风险。目前欧美国家已设计两款心脏灌注保存系统：①美国纽约研究中心的LifeCradle HR低温心脏灌注机，将其用于实验狗心脏灌注（在5℃条件持续灌注10小时）的研究发现，在灌注速率对心肌衰弱流动分布的影响[5~30ml/（min·100g）]中，低流速时心肌增大值（11±4%）相比高流速（34±4%）更少，而高流速存在更多心肌水肿风险；②另外有一器官呵护系统（organ care system，OCS），其采用含氧和富营养的温血对心脏实施灌注以维持心脏脉搏，系统已在欧洲和美国获得临床应用的批准，并且评估了用于心脏移植的OCS的安全性和可靠性。

2.肝脏保存

目前的临床移植肝脏保存系统，其冷保存时间不超过6小时，研究者利用实验猪肝测试样机，如格罗宁根机械灌注系统（groningen machine perfusion，GMP）和器官修复系统（organ recovery systems，ORS），主要观察24小时持续灌注的均衡性、细胞伤害程度、低温和流速维持等指标，该系统已进入临床试验。2008年哥伦比亚大学Guarrera团队首次利用HMP灌注系统进行人类肝脏移植临床试验（19例），结果表明病人肝脏移植存活率非常高，且无移植肝失功与血管并发症情况出现。研究者也同时开始关注机械灌注参数的灵活性，分别考虑心脏脉动和停止时灌注液的流动状况，结果表明，虽然HMP系统能够保持恒流恒压，但低温条件下可能会增加血管阻力和剪应力，并对肝窦内皮细胞和内质网造成损伤。

3.肾脏保存

研究表明，NHBD供体肾脏移植效果与机械灌注的保存模式有关，脑死亡供体（死亡时仍有心搏）供肾通过机械灌注保存比静态冷保存延迟恢复速度更快，不过在肾脏移植6个月后达到相同的肌酐水平。英国牛津大学肾脏移植中心应用LifePort灌注机，其平均移植保存时间为13小时，灌注流速为（115.5±7.8）ml/min，术后有72.2%移植肾功能立即恢复，余27.8%移植肾功能延迟恢复。利用LifePort灌注机同时在肾脏转运和手术室器官恢复时实施灌注，试验过程中，对40分钟和65分钟冷缺血时间肾脏的灌注压力分别为30mmHg和40mmHg，使得不同程度缺血器官均能得到有效恢复，同时通过选择适当的灌注压力，严重热缺血（缺血时间为59~65分钟）的肾脏器官也能够成功移植。Moers等人的研究也表明，HMP相比SCS更能有效减低肾移植功能延迟恢复的发生率，提高移植存活率，并增加临床应用效果，其所产生的额外经济代价不仅被降低移植并发症所节省的成本弥补，更节省了移植失败所带来的肾透成本。

4.胰腺保存　

对胰腺进行低温机械灌注保存是可行的，能够有效保存24~48小时。肾脏灌注系统经过适当改进，可用于胰腺器官保存。灌注过程中低流速和压力控制有助于避免胰腺器官移植后出现水肿，而再灌注也可能会导致胰腺包膜下出血、出血性胰腺坏死和静脉充血等情况发生，虽然一般情况下过度灌注形成的细胞水肿会加剧器官衰竭，但就胰腺器官而言，Taylor等人的研究表明，使用HMP形成的中等程度水肿不但能保护胰岛的完整性，也促进了胰岛细胞的分离，相比非灌注方式保存的胰腺器官而言，其有大约2倍的胰岛可供恢复。