Устройство для перфузионной консервации и рекондиционирования донорского сердца

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложено устройство для перфузионной консервации и рекондиционирования донорского сердца. Устройство включает соединенные магистралями резервуар возврата, термостатируемую камеру, перистальтический насос, аортальную канюлю, перфузионную колонку, газовый баллон, портативный монитор и модифицированный раствор на основе аутокрови или цельную кровь экспериментального животного, согласно изобретению дополнительно включает перистальтический насос, канюлю левого предсердия, канюлю легочной артерии, резервуар левого предсердия, два датчика давления перфузата, два флоуметра, три трехходовых крана, воздухоуловитель, мембранный оксигенатор, циркуляционный термостат с нагревателем и охладителем перфузата, электрокардиостимулятор/дефибриллятор с электродами, устройство для автономного электропитания, абсорбционный фильтр. Изобретение обеспечивает длительную автономную перфузию и рекондиционирование донорского сердца, полноценную оценку сократительной функции сердца, возможность коррекции реперфузионных нарушений ритма донорского сердца, сравнительный анализ эффективности методов противоишемической защиты трансплантата. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к исследовательским приборам для патофизиологии и экспериментальной трансплантологии, и может быть использовано для длительного сохранения, восстановления и поддержания жизнеспособности трансплантатов сердца, полученных от экспериментальных животных-доноров со стандартными и расширенными критериями оценки.

Из существующего уровня техники известно техническое решение для сохранения жизнеспособности донорского сердца охлаждением, заключающееся в бесперфузионном хранении изъятого донорского органа в стерильном полиэтиленовом пакете, заполненном холодным консервирующим раствором и стерильной ледяной крошкой [Меркин Н.А., Вольгушев В.Е., Андронов С.П., Осин Н.С. Технологии сохранения донорских органов на примере донорского сердца. Состояние и перспективы. Трансплантология. 2016;(1):29-35]. Известное техническое решение для сохранения жизнеспособности донорского сердца наиболее распространено в клинической трансплантологии. Основным недостатком известного технического решения является отсутствие оксигенации донорского сердца, в связи с чем увеличение срока холодовой ишемии ассоциировано с тяжелым ишемическим и реперфузионным повреждением трансплантата [Goldsmith K.A., Demiris N., Gooi J.H., et al. Life-years gained by reducing donor heart ischemic times. Transplantation. 2009; 87:243–248; Banner N.R., Thomas H.L., Curnow E., Hussey J.C., Rogers C.A., Bonser R.S.; Steering Group of the United Kingdom Cardiothoracic Transplant Audit. The importance of cold and warm cardiac ischemia for survival after heart transplantation. Transplantation. 2008;86:542–547]. Кроме того, при коротких сроках консервации сердца ограничивается донорское обеспечение трансплантационных центров и снижается доступность трансплантации. По причине недостатков известного технического решения в США более половины донорских сердец не могут быть использованы [A cardioprotective preservation strategy employing ex vivo heart perfusion facilitates successful transplant of donor hearts after cardio-circulatory death / C.W. White, A. Ali, D. Hasanally[et al.] // J. Heart Lung. Transplant. – 2013. – Vol. 32, N. 7. – P. 734–743.].

Решение проблемы донорского обеспечения создали предпосылки к пересмотру и расширению существующих критериев отбора и приемлемости донорских органов, к включению в программу трансплантации альтернативных категорий доноров [Zaroff JG, Rosengard BR, Armstrong WF, et al. Consensus conference report: maximizing use of organs recovered from the cadaver donor: cardiac recommendations, March 28–29, 2001, Crystal City, VA. Circulation. 2002;106:836–841.]. Показано, что известное техническое решение обеспечивает сохранение жизнеспособности донорских сердец оптимального качества и зачастую не применимо при использовании трансплантатов, полученных от доноров с расширенными критериями, поскольку холодовая ишемия без оксигенации значительно усугубляет повреждение исходно компрометированного органа [Monteagudo V. M, Sáez D.G., Simon A.R. Current approaches in retrieval and heart preservation. Ann Cardiothorac Surg 2018; 7:67-74].

В связи с перечисленными недостатками известного технического решения поиск новых технологий сохранения жизнеспособности донорского сердца, а также рекондиционирования (reconditioning), то есть восстановления жизнеспособности исходно поврежденных донорских органов, является актуальным [Меркин Н.А., Вольгушев В.Е., Андронов С.П., Осин Н.С. Технологии сохранения донорских органов на примере донорского сердца. Состояние и перспективы. Трансплантология. 2016;(1):29-35. Ciubotaru A, Haverich A. Ex vivo approach to treat failing organs: expanding the limits. Eur Surg Res. 2015;54(1-2):64-74. doi: 10.1159/000367942.]

В экспериментальной практике известна установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу на базе системы компании AD Instruments (Австралия) [Патент РФ 2 491 963 МПК A61M 1/00 “Установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу”/ Королев Д.В., Галагудза М.М., Осташев В.Б., Александров И.В., Минасян С.М. Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный Центр сердца, крови и эндокринологии имени В.А. Алмазова" Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации, Общество с ограниченной ответственностью "Экспериментальный фармокологический центр кардиопротекции" (ООО "Кардиопротект") Заявка: № 2012110864/14; заявл. 21.03.12; опубл. 10.09.2013, Бюл. 25], которая является наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и была выбрана в качестве прототипа. Известная установка содержит термостатируемые перфузионные колонки с отводами, датчики для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления, систему регистрации электрокардиосигнала, жидкостный циркуляционный термостат, буферный сосуд для перфузионного раствора, перистальтический насос и барбатеры, которые помещены в перфузионные колонки и соединены через редуктор с баллоном для карбогена. Датчики для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления подключены через усилитель и аналого-цифровой преобразователь к компьютеру.

У прототипа имеется ряд принципиальных недостатков, которые делают его непригодным для проведения длительной перфузии, рекондиционирования донорского сердца и динамической оценки функционального состояния трансплантата, а именно:

1) невозможна полноценная оценка сократительной способности левого желудочка в связи с тем, что при ретроградной перфузии через аорту в условиях изоволюмического сокращения сердце практически не выполняет механической работы;

2) недоступен анализ сократительной функции правого желудочка, необходимый при использовании трансплантатов сердца, полученных от доноров с расширенными критериями;

3) отсутствие оксигенатора существенно лимитирует доставку кислорода к органу, что сопровождается постепенным угнетением его функции и ограничивает возможность длительной перфузии изолированного сердца;

4) использование в качестве перфузата кристаллоидного раствора Кребса-Хензелайта при длительной перфузии приводит к отеку миокарда и угнетению его функции в связи с низким онкотическим давлением раствора;

5) известная установка рассчитана на проведение перфузии только в условиях нормотермии, что препятствует сравнительному анализу влияния других температурных режимов перфузии на жизнеспособность изолированного сердца;

6) известная установка не содержит электрокардиостимулятор и дефибриллятор для коррекции нарушений ритма донорского сердца в ходе реперфузии;

7) при наличии замкнутого контура перфузии в известной установке не обеспечено удаление продуктов тканевого метаболизма;

8) в известной установке не реализована автономность перфузии изолированного сердца.

С учетом изложенного прототип не может быть использован для длительной перфузии и рекондиционирования сердечного трансплантанта.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка в эксперименте мультимодального перфузионного устройства, которое лишено недостатков прототипа и позволяет длительно сохранять, восстанавливать и поддерживать жизнеспособность трансплантатов сердца, полученных от доноров со стандартными и расширенными критериями; проводить сравнительный анализ эффективности кардиопротекции при различных вариантах перфузии сердца; исследовать функционально-метаболические и структурные изменения в донорских сердцах и оценивать их пригодность к трансплантации в процессе консервации.

Для решения поставленной задачи в установку для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу дополнительно введены перистальтический насос, резервуар и канюля левого предсердия, канюля легочной артерии, абсорбционный фильтр, воздухоуловитель, мембранный оксигенатор, циркуляционный термостат с нагревателем и охладителем перфузата, электрокардиостимулятор/дефибриллятор с электродами соединительные магистрали, датчик давления перфузата (2 шт.), флоуметр (2 шт.), трехходовые краны (3 шт.), устройство для автономного электропитания.

Решение технической задачи достигается также тем, что в качестве перфузата используется модифицированный раствор на основе аутокрови или цельная кровь донора. Насыщение перфузата кислородом происходит в мембранном оксигенаторе, который соединен с баллоном, содержащим карбоген или другие газовые смеси. Удаление продуктов тканевого метаболизма осуществляется за счет абсорбционного фильтра. Температура перфузата регулируется термостатом с нагревателем и охладителем, обеспечивая проведение перфузии в различных температурных режимах в зависимости от условий эксперимента.

Решение технической задачи достигается также тем, что для оценки пригодности донорского сердца к трансплантации производится динамическое исследование функционально-метаболических и структурных изменений в перфузируемом сердце, которое функционирует в условиях, максимально приближенным к физиологическим.

Для решения поставленной задачи предлагается следующий вариант устройства. Общий вид предлагаемого устройства представлен на Фигуре 1 “Схема устройства для перфузионной консервации и рекондиционирования донорского сердца”, где: 1 – резервуар возврата, 2 – термостатируемая камера, 3 – сердце, 4 – перистальтический насос (2 шт.), 5 – канюля левого предсердия, 6 – аортальная канюля, 7 – канюля легочной артерии, 8 – резервуар левого предсердия, 9 – перфузионная колонка, 10 – датчик давления перфузата (2 шт.), 11 – флоуметр (2 шт.), 12 – трехходовой кран (3 шт.), 13 – воздухоуловитель, 14 – оксигенатор, 15 – газовый баллон, 16 – циркуляционный термостат с нагревателем и охладителем перфузата, 17 – электрокардиостимулятор/ дефибриллятор, 18 – устройство для автономного электропитания, 19 – портативный монитор, 20 – абсорбционный фильтр. Cплошными стрелками схематично обозначено движение перфузата при ретроградной перфузии, прерывистыми стрелками – при бивентрикулярной перфузии сердца.

Устройство функционирует следующим образом. Изъятое из организма сердце помещают в термостатируемую камеру. Через ушко левого предсердия в полость левого желудочка заводят латексный баллончик для регистрации инвазивного давления. Температура перфузата регулируется c помощью термостата. Биоэлектрическая активность сердца контролируется электрокардиостимулятором/дефибриллятором с электродами, соединенным с портативным монитором.

Для ретроградной перфузии сердца канюлируют аорту. Канюлю соединяют с перфузионной колонкой. Параметры перфузии контролируются датчиком давления и флоуметром. Перфузат, прошедший через коронарное русло, свободно вытекает из правых отделов сердца и собирается в резервуаре возврата. Из резервуара с помощью перистальтического насоса перфузат протекает через абсорбционный фильтр, оксигенатор, соединенный с газовым баллоном, и воздухоуловитель.

Для бивентрикулярной перфузии канюлируют аорту, левое предсердие, легочную артерию, лигируют нижнюю полую вену. Через верхнюю полую вену в полость правого желудочка заводят латексный баллончик для регистрации инвазивного давления. Перфузат из резервуара левого предсердия поступает через левые отделы сердца и аорту в перфузионную колонку. Высота расположения перфузионной колонки определяет постнагрузку на сердце. Перфузат, прошедший через коронарное русло, поступает в правые отделы сердца, легочную артерию, смешивается с перфузатом из аорты и с помощью перистальтического насоса поступает в резервуар возврата. Из резервуара с помощью перистальтического насоса перфузат протекает через абсорбционный фильтр, оксигенатор, соединенный с газовым баллоном, воздухоуловитель и поступает в резервуар левого предсердия. Высота расположения резервуара левого предсердия определяет преднагрузку на сердце.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков предлагаемой установки, заключается в обеспечении:

1) длительной автономной перфузии и рекондиционирования донорского сердца пульсирующим потоком оксигенированного перфузата в условиях поддержания обмена веществ, что позволяет значительно продлить сроки жизнеспособности органа;

2) полноценной оценки сократительной функции сердца в условиях изменяющейся пред- и постнагрузки;

3) возможности коррекции реперфузионных нарушений ритма донорского сердца за счет наличия электрокардиостимулятора/дефибриллятора;

4) сравнительного анализа эффективности методов противоишемической защиты трансплантата при изменении состава и температуры перфузата, газовой смеси в оксигенаторе.

Оценка жизнеспособности донорского сердца после перфузии и рекондиционирования в предлагаемом устройстве может быть проведена при его орто- и гетеротопической трансплантации или методом экстракорпоральной аппаратной реперфузии.

Пример конкретного выполнения.

Эксперименты были проведены на 56 половозрелых беспородных кроликах. Ишемическое повреждение донорского сердца (донорский орган с расширенными критериями) инициировали следующим образом: под эфирным наркозом проводили билатеральную торакотомию, путем пережатия полых вен воспроизводили остановку кровообращения, после 10 мин тотальной тепловой ишемии пересекали магистральные сосуды и извлекали сердце.

Сердца экспериментальных животных были разделены на следующие группы: контроль – интактные сердца, реперфузия без консервации (n=8); гипотермическая консервация (ГК) сердец, перенесших 10-минутную тепловую ишемию, в течение 4, 8 и 12 часов соответственно (n=8); нормотермическая экстракорпоральная перфузия (НЭП) сердец, перенесших 10-минутную тепловую ишемию, в предлагаемом устройстве в течение 4, 8 и 12 часов соответственно (n=8).

ГК сердец проводили путем хранения трансплантата в стерильном полиэтиленовом пакете, заполненном холодным консервирующим раствором и стерильной ледяной крошкой, тем самым моделировали клиническую ситуацию консервации сердца по известной методике. НЭП сердец в предлагаемом устройстве проводили через аорту аутологичной кровью, разведенной в соотношении 1:1 c раствором Кребса-Хензелайта, насыщенным карбогеном (95% О₂ + 5% СО₂), в режиме постоянного давления 70 мм рт. ст. при температуре 37°С и рН=7,33-7,36.

По истечении срока консервации все сердца были реперфузированы в предлагаемом устройстве аутологичной кровью, разведенной 1:1 c раствором Кребса-Хензелайта, насыщенным карбогеном (95% О₂ + 5% СО₂), в режиме постоянного давления 70 мм рт. ст. при температуре 37°С и рН=7,33-7,36. Для оценки сократительной функции сердца дополнительно канюлировали левое предсердие, легочную артерию, лигировали нижнюю полую вену. В полость правого и левого желудочка заводили латексные баллончики для регистрации инвазивного давления.

Сердца, перенесшие ГК, демонстрировали прогрессирующее ухудшение силовых показателей сократительной функции по мере увеличения срока консервации. Угнетение сократительной функции сердец после ГК сопровождалось развитием ишемической контрактуры миокарда. Сердца, подвергнутые НЭП в предлагаемом устройстве, характеризовались большей сохранностью сократительной функции без развития ишемической контрактуры в ходе длительного сохранения.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что предлагаемое в качестве изобретения устройство может быть использовано для длительного сохранения, восстановления и поддержания жизнеспособности трансплантатов сердца, полученных от доноров со стандартными и расширенными критериями, но не ограничивается данным применением. В предлагаемом устройстве может проводиться сравнительный анализ эффективности методов кардиопротекции при различных вариантах перфузии сердца, а также динамическое исследование структурных, функциональных, метаболических изменений в трансплантатах и оценка их пригодности к трансплантации.

1. Устройство для перфузионной консервации и рекондиционирования донорского сердца, включающее соединенные магистралями резервуар возврата (1), термостатируемую камеру (2), перистальтический насос (4), аортальную канюлю (6), перфузионную колонку (9), газовый баллон (15), портативный монитор (19) и использующее в качестве перфузата модифицированный раствор на основе аутокрови или цельную кровь экспериментального животного, отличающееся тем, что дополнительно содержит перистальтический насос (4), канюлю левого предсердия (5), канюлю легочной артерии (7), резервуар левого предсердия (8), два датчика давления перфузата (10), два флоуметра (11), три трехходовых крана (12), воздухоуловитель (13), мембранный оксигенатор (14), циркуляционный термостат с нагревателем и охладителем перфузата (16), электрокардиостимулятор/дефибриллятор с электродами (17), устройство для автономного электропитания (18), абсорбционный фильтр (20).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью оценки сократительной способности и функциональных резервов обоих желудочков сердца.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью осуществления перфузии сердца в двух режимах – ретроградной перфузии через аорту и бивентрикулярной перфузии с переключением между ними.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения пред- и постнагрузки на сердце за счет изменения высоты перфузионной колонки, резервуара левого предсердия и производительности перистальтических насосов.