第一節 機械灌注保存研究基礎

一、機械灌注背景

自1998年以來，在器官共享聯合網（UNOS）注冊腎移植需求病人的數量以2 400例的速度增長，換而言之，如果每年從額外多于1 200名供體中得到2 400枚腎臟，或者放寬腎源供體驗收標準，則等待隊伍將不再變長。文獻顯示心臟死亡供體是腦死亡供體的2~4.5倍，充分利用心臟死亡供體，獲取的腎源將使總供應量提升40%。目前醫院99%腦死亡供體所提供的腎臟是可用的，但對于無心搏供體由于一方面能接受的缺血時間不確定，另一方面供體心臟停搏前的生命條件、所患疾病以及年齡等復雜因素均決定了器官的質量，此外如器官免疫力和心血管狀態等多種因素會使器官移植效果變得復雜與不確定。器官移植是唯一能夠有效治療終末期器官疾病的方法，但由于器官供需之間的矛盾日益突出，使得器官體外保存期間的活性維持成為移植成功的前提和基本保障，故有效延長保存器官時限對器官移植而言意義重大，并已成為打破該領域臨床應用的突破口之一。

維持低溫環境是保護離體器官細胞組織的基礎，其保護機制為：器官獲取和局部缺血導致能量和氧氣供給缺乏，使器官細胞迅速從有氧代謝轉化為缺氧代謝，生成乳酸和質子，并發生細胞去極化現象，進而導致離子濃度失衡和細胞壞死。研究發現質子和鈣濃度上升是導致細胞死亡的直接原因。然而，生化反應的基本原理都是分子活動和遷移，且其由所獲得的熱量支配，換而言之，溫度降低會導致分子活動減慢，從而使細胞內生化反應活動隨之成比例衰弱。研究證明，隨著與局部缺血缺氧有關的化學過程被中止，離體器官的進一步惡化也得到有效阻止，表2-1列出了低溫環境對局部缺血的器官帶來的主要影響。

傳統離體器官有兩種保存模式：靜態冷保存（SCS）和機械灌注保存（MP）。由于前者操作簡單便利，成本相對較低，后者裝置復雜、成本昂貴，故SCS成為各器官移植中心的首選。美國器官獲取與移植網（Organ Procurement and Transplantation Network）數據顯示，目前僅20%腎臟利用HMP方式保存。但是臨床研究表明，MP相比SCS能夠給離體器官提供更好的早期保護，例如腎移植，MP能夠有效抑制二氧化碳對腎臟的破壞，減少移植腎臟功能延遲恢復時間，同時，其能夠更有效提升移植腎存活率和微循環完整性。此外，研究表明低溫機械灌注不但有助于提高受者術后生存率，而且增加離體器官保存期間的氧氣供應與物質能量補充，改善其復灌后的能量代謝，減少脂質過氧化物的蓄積，降低氧化應激損傷，有助于改善術后器官功能。而在SCS方式中，冰水混合液對器官細胞具有一定破壞性，且靜態保存的養分消耗也易使器官失活，MP的應用日益增加。

二、機械灌注研究基礎

20世紀70年代，國外器官移植中心開始將機械灌注技術用于腎臟器官的運輸和保存，在低溫條件下，機械灌注裝置通過模擬動脈搏動反復循環灌洗離體器官，同時不斷為其提供能量代謝底物，維持組織細胞的平衡，以降低腎功能延遲恢復（DGF）發生率。到90年代初，雖然低溫機械灌注的臨床應用被重新提及，但研究者們在移植存活率的問題上仍有爭議：一方面，機械灌注所需人力資源較多，后勤和維護成本要求更高，且傳統冰水混合靜態保存是安全有效的；另一方面，雖然機械灌注更有利于延長器官保存時間，但對于已被熱缺血損傷的器官來說，延長冷缺血保存時間反而會給移植帶來更多的負面影響，如心臟死亡供體（NHBD）器官，故要盡可能縮短熱缺血時間，換而言之，機械灌注方式僅有利于有心搏供體器官的短期保存，以滿足急需器官移植的病人，同時在機械灌注過程中，不同器官的生理參數與動力學特征具有差異：

1.心臟保存　

臨床醫學普遍認為，對供心利用SCS保存，其冷缺血的安全時間限制在4~6小時，如果在8~10℃條件下對心臟持續灌注5小時，心臟容積負載指數可恢復至缺血前水平，但是若在4℃條件下利用SCS保存5小時，雖然其生化特性和微結構特性與前者相似，但心臟心肌無法恢復至初始收縮狀態。雖然低溫機械灌注有望恢復心臟收縮能力，但由于心臟保存的關鍵參數如溶液成分、灌注溫度、灌注壓力、流速等均受到心肌水腫的條件限制，并帶來很大風險。目前歐美國家已設計兩款心臟灌注保存系統：①美國紐約研究中心的LifeCradle HR低溫心臟灌注機，將其用于實驗狗心臟灌注（在5℃條件持續灌注10小時）的研究發現，在灌注速率對心肌衰弱流動分布的影響[5~30ml/（min·100g）]中，低流速時心肌增大值（11±4%）相比高流速（34±4%）更少，而高流速存在更多心肌水腫風險；②另外有一器官呵護系統（organ care system，OCS），其采用含氧和富營養的溫血對心臟實施灌注以維持心臟脈搏，系統已在歐洲和美國獲得臨床應用的批準，并且評估了用于心臟移植的OCS的安全性和可靠性。

2.肝臟保存

目前的臨床移植肝臟保存系統，其冷保存時間不超過6小時，研究者利用實驗豬肝測試樣機，如格羅寧根機械灌注系統（groningen machine perfusion，GMP）和器官修復系統（organ recovery systems，ORS），主要觀察24小時持續灌注的均衡性、細胞傷害程度、低溫和流速維持等指標，該系統已進入臨床試驗。2008年哥倫比亞大學Guarrera團隊首次利用HMP灌注系統進行人類肝臟移植臨床試驗（19例），結果表明病人肝臟移植存活率非常高，且無移植肝失功與血管并發癥情況出現。研究者也同時開始關注機械灌注參數的靈活性，分別考慮心臟脈動和停止時灌注液的流動狀況，結果表明，雖然HMP系統能夠保持恒流恒壓，但低溫條件下可能會增加血管阻力和剪應力，并對肝竇內皮細胞和內質網造成損傷。

3.腎臟保存

研究表明，NHBD供體腎臟移植效果與機械灌注的保存模式有關，腦死亡供體（死亡時仍有心搏）供腎通過機械灌注保存比靜態冷保存延遲恢復速度更快，不過在腎臟移植6個月后達到相同的肌酐水平。英國牛津大學腎臟移植中心應用LifePort灌注機，其平均移植保存時間為13小時，灌注流速為（115.5±7.8）ml/min，術后有72.2%移植腎功能立即恢復，余27.8%移植腎功能延遲恢復。利用LifePort灌注機同時在腎臟轉運和手術室器官恢復時實施灌注，試驗過程中，對40分鐘和65分鐘冷缺血時間腎臟的灌注壓力分別為30mmHg和40mmHg，使得不同程度缺血器官均能得到有效恢復，同時通過選擇適當的灌注壓力，嚴重熱缺血（缺血時間為59~65分鐘）的腎臟器官也能夠成功移植。Moers等人的研究也表明，HMP相比SCS更能有效減低腎移植功能延遲恢復的發生率，提高移植存活率，并增加臨床應用效果，其所產生的額外經濟代價不僅被降低移植并發癥所節省的成本彌補，更節省了移植失敗所帶來的腎透成本。

4.胰腺保存　

對胰腺進行低溫機械灌注保存是可行的，能夠有效保存24~48小時。腎臟灌注系統經過適當改進，可用于胰腺器官保存。灌注過程中低流速和壓力控制有助于避免胰腺器官移植后出現水腫，而再灌注也可能會導致胰腺包膜下出血、出血性胰腺壞死和靜脈充血等情況發生，雖然一般情況下過度灌注形成的細胞水腫會加劇器官衰竭，但就胰腺器官而言，Taylor等人的研究表明，使用HMP形成的中等程度水腫不但能保護胰島的完整性，也促進了胰島細胞的分離，相比非灌注方式保存的胰腺器官而言，其有大約2倍的胰島可供恢復。