КОНСЕРВАЦИЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ОРГАНОВ НОВЫМ ПЕРФУЗИОННЫМ АППАРАТОМ (ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ)

PRESERVATION OF ISOLATED ORGANS WITH A NEW PERFUSION DEVICE (EXPERIMENTAL STUDY)

Otar Pilishvili

doctoral student, Tbilisi State University,

Tbilisi, Georgia

Zurab Chkhaidze

Doctor of Medical Sciences, Associate Professor of Clinical Anatomy Department, Tbilisi State University,

Tbilisi, Georgia

David Songulashvili

Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, Georgian Technical University,

Tbilisi, Georgia

Nodar Khodeli

Doctor of Medical Sciences, Associate Professor of Clinical Anatomy Department, Tbilisi State University,

Tbilisi, Georgia

Работа выполнена при поддержке Национального Научного Фонда Грузии имени Шота Руставели (грант № FR-19-7543)

АННОТАЦИЯ

Целью исследования является создание нового перфузионного аппарата на базе кровяного насоса собственной конструкции и экспериментальная разработка метода пролонгированной консервации брюшных органов на модели печени овцы. Насос является атравматичным, био- и гемоинертным, способным работать в кардиосинхронном режиме. Проведены стендовые  испытания и 2 эксперимента на животных. К хирургичеки эксплантированной и изолированной печени овцы, в специальном резервуаре подключали аппарат, предварительно заполненный перфузатом на крови. Проведена 5 часовая перфузия. Подавая кровь в воротную вену и общую печеночную артерию управляли температурой перфузата, объемной скоростью потока, давлением и пульсовой волной. Разработанный перфузионный аппарат способен обеспечивать требуемые гемодинамические условия, максимально приближенные к физиологическим.

ABSTRACT

The aim of the study is to create a new perfusion apparatus based on a blood pump of our own design and to experimentally develop a method for prolonged preservation of abdominal organs on a sheep liver model. The pump is atraumatic, bio- and hemo-inert, capable of operating in cardiosynchronous mode. Bench tests and 2 experiments on animals were carried out. An apparatus pre-filled with blood perfusate was connected to the surgical explanted and isolated sheep liver in a special reservoir. 5 hour perfusion was performed. By supplying blood to the portal vein and the common hepatic artery, the perfusate temperature, volumetric flow rate, pressure, and pulse wave were controlled. The developed perfusion apparatus is capable of providing the required hemodynamic conditions as close as possible to physiological ones.

Ключевые слова: консервация; машинная перфузия; пульсирующий поток.

Keywords: preservation; machine perfusion; pulsating flow.

Введение: В первых экспериментах на собаках Томас Старзл делал пересадки печени после машинной перфузии органа [9]. В последствии из-за предпочтительной простоты и дешевизны в трансплантологии клиническое распространение получил метод «холодового хранения» [1]. Но в последнее время, в результате выросшего спроса на трансплантаты и наличия некоторых существенных положительных эффектов не присущих «холодовому хранению», его постепенно, вновь замещает машинная перфузия. Этому способствовало интенсивное развитие медицинских инновационных технологий, особенно разработка и клиническое внедрение аппаратов, замещающих функцию жизненно важных органов, искусственных аппаратов сердечно-легочного обхода различных конструкций и размеров. Накопился опыт применения новых технологий и методов в различных областях медицины, в том числе и в трансплантологии. Сегодня из существующих методов консервации органов наиболее перспективным считают продленную машинную перфузию, позволяющую во-первых приблизить существование эксплантированного органа к нативным физиологическим условиям [3]. Во вторых она позволяет провести мероприятия по восстановлению некоторых кондиций органа утраченных в результате тепловой ишемии и последующих метаболических нарушений [2, 4]. И наконец, в процессе перфузии появляется возможность функциональной и морфологической оценки органа до его трансплантации и в той или иной степени прогнозировать его дальнейшее функционирование в реципиенте [5]. В клинике используется несколько разновидностей аппаратов для консервации абдоминальных органов, а наиболее сложным из них является перфузионный аппарат для консервации печени. Следует отметить, что экспериментальные разработки, направленные на максимальную физиологизацию двух различных (по биохимическим, гематологическим и гемодинамическим параметрам) потоков крови, потребляемых печенью продолжаются [3, 6].

Целью нашей научной группы из Тбилисского Государственного Университета является разработка перфузионного аппарата для консервации печени и почек на базе объемного кровяного насоса пульсирующего типа собственной конструкции и его экспериментальная апробация.

Материал и методы: Перфузионный фппарат для консервации печени и почек был собран на подвижной площадке размером 60х60 см со стопорными колесами. Основная часть аппарата – объемный двухкамерный насос крови (Грузпатент U 1888. 2016), обеспечивающий как пульсирующий, так и постоянный ток крови. Насос разработан и собран на базе эксплуатируемой нами ранее в экспериментах пневмоприводной модели (Грузпатент P 3975. 2004;) [7]. Характеристики гидроприводного насоса:

• производительность до 8 л/мин;
• отсутствие движущихся деталей касающихся крови;
• отсутствие травмы клеточных элементов (отсутствие гемолиза);
• на протяжении схемы циркуляции крови во внутреннем контуре насоса отсутствие застойных зон и зон завихрения;
• возможность реализации как постоянного тока крови, так и пульсирующего, кардиосинхронизированного потока.

В состав перфузионного аппарата, также, входит мембранный оксигенатор с теплообменником, венозный и артериальный фильтры, резервуар для трансплантата, портативный кислородный баллон, набор силиконовых и полихлорвиниловых кровеносных магистралей с краниками и дозаторами, а также блок цифрового управления, в котором объединены управление параметрами работы насоса, теплообменника, и системы распределения потоков внутри циркуляционной схемы аппарата [8]. А также, предусмотрен вмонтированный компьютерный дисплей для мониторинга давления, производительности и синхронизации. Все аксессуары аппарата собраны в соответствии со схемой представленной на рисунке 1. Аппарат предусмотрен для мобильной консервации органов вне организма и поэтому при его сборке учитывли требования портативности, мобильности, транспортабельности, автономности и пр. Стендовые испытания аппарата показали надежность функционирования в длительнах полнонагрузочных экспериментах и надежность блока управления и мониторинга параметрами. Аппарат, также, испытан в двух предварительных экспериментах при консервации печени овцы.

Рисунок 1. Схема аппарата для экстракорпоральной консервации печени:

1) Трансплантат печени; 2) Канюля в печеночной артерии; 3) Свободный конец подпеченочной части каудальной полой вены, из которой изливается перфузат; 4) Канюля в воротной вене; 5) Канюля и дренаж в желчный проток; 6) Консервационный резервуар; 7) Перфузионная жидкость; 8) Венозный фильтр; 9) Датчик расходомера; 10) Датчик давления; 11) Кровяная камера насоса; 12) Теплообменник; 13) Оксигенатор; 14) Артериальный фильтр; 15) Дозирующие краники; 16) Венозный отстойник гравитационного постоянного потока с термоизолированными стенками; 17) Градуированный резервуар для желчи; 18) Кислородный баллон; 19) Энергоблок с системой управления.

Использовали овец обоего пола, кавказской породы до 25 кг живого веса. При подготовке животных и в ходе экспериментов руководствовались требованиями законов и гайдлайнов Евросоюза по использованию животных в научных экспериментах. Непосредственно перед началом операции в подготовку перфузионного аппарата входила сборка всей системы, заправка физиологическим раствором подключение к теплообменнику и расположение датчиков внутреннего мониторинга согласно рисунку 1. Аппарат переводили в режим рециркуляции, элиминировали пузырьки воздуха устанавливали температурный режим перфузата (Рис. 2).

Рисунок 2. Перфузионный аппарат

А с пневмоприводным насосом, собранный на штативе; Б аппарат с гидроприводным насосом, собранный на коляске.

Операции провели в условиях предоперационной седативной терапии и потенциированного эндотрахеального наркоза. Во время операции бедренные сосуды катетеризировали для мониторинга давления, катетеризировали мочевой пузырь, располагали датчики температуры и сатурации, срединным разрезом вскрывали брюшную полость. Мобилизовали надпеченочную и подпеченочную части каудальной полой вены, проксимальнее впадения почечных вен, скелетировали общую печеночную артерию и чревный ствол до аорты, воротрую вену до слияния ее притоков, а также желчный проток до впадения в кишку. После выделения и пересечения фиксирующих структур печени, катетеризировали общую подвздошную артерию и забирали кровь в пакетики с цитратом. При констатации изолинии на кардиограмме пересекали воротную вену, полую вену над и под печенью. Аорту пересекали проксимально и дистально, максимально отступя от места выхода чревного ствола. Мобилизованная печень перемещалась в резервуар для органа, где производили канюляцию проксимального конца аорты с перевязкой дистального ее конца. Канюлировали также свободный конец воротной вены и терминальный участок желчного протока. Канюли подключали к соответствующим магистралям аппарата и начинали перфузию органа (Рис 3). В начале перфузии в орган подавали раствор перфузата, состоящий в основном из физиологического раствора, а после вымывания остатков крови и ее сгустков через аппарат начинали замещение перфузата нативной кровью. Таким образом, в аорту подавлась нативная оксигенированная кровь пульсирующего потока под контролем температуры, давления и минутного объема кровотока. В воротную вену поступала нативная венозная кровь постоянного тока, гравитационно, также, под контролем давления и минутного объема кровотока.

Рисунок 3. Канюляция сосудов изолированной печени и начало консервации перфузионным раствором

Результаты и обсуждение: Во время перфузии в аппарате поддерживали показатели, которые колебались в пределах физиологических констант. Эти исходные показатели в каждом эксперимерте были получены при их регистрации до начала эксплантации органа. Так, температура перфузата, подаваемого в воротную вену с целью умеренной гипотермии, колебалась в пределах 36±0,5°С (температура тела здоровой овцы колеблется в пределах 38±0,5°С), в то время, как в оксигенаторе и артериальной магистрали температура перфузата приближалась к норме. Температура перфузата на уровне венозного фильтра понижалась до 35±0,5°С. Указанный градиент поддерживали в течение 5 часовой перфузии. Объем кровотока в воротной вене на протяжении первых 3 часов колебался в пределах 250±15 мл/мин, а затем, к концу эксперимента снижался до 210±0,8 мл/мин. Давление в вене, в первые часы эксперимента колебалось в пределах 19±3 мм ртутного столба, а к концу эксперимента снижалось, приближаясь к нормальным, исходным величинам (11±2,5 мм ртутного столба). Объем кровотока в общей печеночной артерии составлял 45±6,8 мл/мин, оставаясь стабильным на протяжении всей перфузии, а среднее давление в артерии колебалось в пределах 85±4 мм ртутного столба. В первом эксперименте количество желчи выделенной в катетер после помещения органа в резервуар до конца эксперимента составило всего 9 мл. Во втором эксперименте было получено 34 мл желчи. Дальнейшие пролонгированные эксперименты предполагается проводить в условиях максимального учета голотопических и синтопических, топографических условий расположения печени в перитонеальной полости и максимального приближения управляемых гемодинамических показателей к нормальным физиологическим показателям. Кроме того планируется расширение мониторинга различных биохимических показателей, определяющих фукциональную достаточность органа, что в конечном счете позволит полноценно и всесторонне оценивать качество пролонгированной консервации и прогнозировать посттрансплантационную функцию трансплантата в эксперименте.

Выводы: Разработанный перфузионный аппарат с гидроприводным кровяным насосом способен обеспечивать изолированному органу требуемые перфузионные, гемодинамические условия максимально приближенные к нормальным физиологическим условиям. Расширение оцениваемых морфологических, биохимических, коагулологических и других физиологических параметров позволит многосторонне оценить надежность предложенного метода пролонгированной консервации органа и рекомендовать его элементы для клинического примененяи.

Список литературы:

1. Belzer F.O., Southard J.H. Principles of solid-organ preservation by cold storage // Transplantation. – 1988. – Vol. 45, Issue 4. – P. 673–676.
2. Compagnon P., Lindell S., Ametani M.S., Gilligan B., Wang H.B., D'Alessandro A.M., Southard J.H., Mangino M.J. Ischémie preconditioning and liver tolerance to warm or cold ischemia: experimental studies in large animals // Transplantation. – 2005.– Vol. 79. – P.1393–1400.
3. Eshmuminov D., Becker D., Borrego L.B., Hefti M., Schuler M.J., Hagedorn C., Muller X., Mueller M., Onder C., Graf R., Weber A., Dutkowski P., von Rohr P.R., Clavien P-A. An integrated perfusio„n ma.chine preserves injured human livers for 1 week // Nat. Biotechnol. – 2020. – Vol. 38, # 2. – P. 189–198.
4. Graham J.A., Guarrera J.V. ‘‘Resuscitation’’ of marginal liver allografts for transplantation with machine perfusion technology // Journal of Hepatology. – 2014. –Vol. 61. – P. 418–431.
5. Guibert E.E., Petrenko A.Y., Balaban C.L., Somov A.Y., Rodriguez J.V., Fuller B.J. Organ Preservation: Current Concepts and New Strategies for the Next Decade // Transfus. Med. Hemother. – 2011. – Vol. 38,#2. – P. 125–142.
6. Jochmans I., Akhtar M.Z., Nasralla D., Kocabayoglu P., Boffa C., Kaisar M., Brat A., O'Callaghan J., Pengel L.H.M., Knight S., Ploeg R.J. Past, Present, and Future of Dynamic Kidney and Liver Preservation and Resuscitation // American Journal of Transplantation. – 2016. – Vol.16,#9. – P. 2545–2555.
7. Khodeli N., Chkhaidze Z., Partsakhashvili J., Pilishvili O., Kordzaia D. Practical and Theoretical Considerations for ECMO System Development. In book "Extracorporeal Membrane Oxigenation: Advances in Therapy". Edited by Michael S. Firstenberg. – 2016. Chapter 18. – P. 357–381. http://www.intechopen.com/articles/show/title/practical-and-theoretical-considerations-for-ecmo-system-development.
8. Kordzaia D., Khodeli N., Chkhaidze Z., Tsomaia K., Inauri N., Gogiashvili L. Morphological Changes in the Liver After 8 hours of Preservation by Machine Perfusion // Georgian Medical News. – 2019. – #10(295). – P. 132–137.
9. Starzl T.E., Kaupp H.A.Jr., Brock D.R., Lazarus R.E., Johnson R.V. Reconstructive problems in canine liver homotransplantation with special reference to the postoperative role of hepatic venous flow // Surg. Gynecol. Obstet. – 1960. – Vol.111. – P. 733–743.