2023, Vol. 32
2. 义乌市中心医院急诊医学科，义乌 322099;
3. 绍兴第二医院急诊医学科，绍兴 312099;
4. 杭州市急救中心，杭州 310003;
5. 浙江师范大学，金华 321004
2. Department of Emergency Medicine, Yiwu Central Hospital, Yiwu 322099, China;
3. Department of Emergency Medicine, Shaoxing Second Hospital, Shaoxing 312099, China;
4. Hangzhou Emergency Medical Center, Hangzhou 310021, China;
5. Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China
体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）是一种可经皮置入运行的机械循环辅助技术[1]，可为人体提供有效的心肺功能支持，被广泛应用于各种原因引起的急性循环和（或）呼吸衰竭的抢救治疗，为心肺功能的恢复赢得时间[2-3]。作为应用于人体的机械循环装置，ECMO设备在材料、性能、安全性等方面要求极其严格，其研发、制造难度大，关键技术长期被发达国家垄断，价格昂贵。新冠肺炎疫情爆发初期，全国ECMO存量远远不能满足临床需要，导致国内ECMO设备“一机难求”[4]。近年来，我国逐步加大ECMO设备的研发，笔者团队成功研发一款新型国产ECMO主机，利用大动物猪模型评价设备的运行效果和安全性，为后续的临床应用提供依据。
1 材料与方法 1.1 实验动物来源国产健康雄性大白猪5头，购自上海甲干生物科技有限公司[合格证号SCXK（沪）2020-0006]，月龄5~7月，体质量（51±4）kg。实验经浙江大学医学院附属第二医院动物伦理委员会批准（编号2022年度第022号）。
1.2 主要仪器与试剂主要仪器：国产ECMO系统主机（湖州露湖鄱公司），尺寸30 cm×35 cm×28 cm，重量15.5 kg，由离心泵主机、监测系统、紧急驱动单元组成，见图 1；膜氧合器、泵头、管路使用PLS套包（型号BE-PLS 2050，德国Maquet公司）；动静脉插管使用16 Fr动脉导管和18 Fr静脉导管(美国Edwards公司)；SV350呼吸机（深圳迈瑞公司），BeneVision N15监护仪（深圳迈瑞公司）；活化凝血时间(activate clotting time，ACT)检测仪（美国Medtronic公司）；Swan-Ganz导管（美国Edwards公司）；全自动血气分析仪（深圳理邦公司）；血细胞分析仪（美国IDEXX公司）。主要试剂：赛拉嗪（吉林华牧公司）、替来他明/唑拉西泮（法国维克公司）、肝素钠（南京新百药业公司）、头孢呋辛钠（齐鲁制药公司）、氯化钠注射液（辰欣药业公司）、丙泊酚（西安力邦制药公司）、葡萄糖注射液（湖南科伦制药公司）、氯化钾注射液（湖北科伦制药公司）等。
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| A：正侧位观；B：后面观；C：显示屏界面 图 1 新型国产ECMO主机实物图 Fig 1 Physical diagram of the novel domestic ECMO system |
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动物抵达实验室后，经过≥7 d的标准饲料喂养，自由饮水，在实验前12 h禁食、不禁水。经肌肉注射替来他明/唑拉西泮5 mg/kg与赛拉嗪1 mg/kg诱导麻醉，然后经耳缘静脉注射丙泊酚2 mg/kg实施全身麻醉、继以4 mg/（kg·h）静脉泵入维持麻醉状态。迅速进行气管插管，呼气末二氧化碳分压监测及机械通气，呼吸机参数：间歇正压通气模式、潮气量10 mL/kg、呼吸频率12次/min、吸入氧体积分数21%、PEEP 3 cmH2O，并调节初始呼吸频率维持呼气末二氧化碳分压在35~40 mm Hg（1 mmHg=0.133 kPa）的正常范围内。暴露一侧颈外静脉，置入单腔中心静脉导管，用于静脉输液给药及采集静脉血标本；暴露左侧股动脉，置入7 Fr Swan-Gans导管，用于实时监测动脉血压及采集动脉血标本；暴露右侧股动脉及左侧股静脉，用于置入ECMO动静脉导管。
1.4 ECMO上机手术操作PLS套包接入离心泵后用生理盐水预充排气备用。5头猪均采用静脉-动脉ECMO模式运转，见图 2。于右侧股动脉置入ECMO动脉导管，左侧股静脉置入ECMO静脉导管，ECMO动静脉导管分别连接PLS套包动静脉端，经静脉注射120 U/kg负荷量肝素全身抗凝，开启离心泵，设置转速3 000~3 500 r/min。缝合固定ECMO动静脉导管，调节控温水箱温度至38℃。
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| 图 2 国产ECMO主机的动物实验现场 Fig 2 Animal experiment site of domestic ECMO mainframe |
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监测期间经中心静脉导管滴注葡萄糖液、氯化钾、氯化钠注射液等维持生理需要量，每12 h肌肉注射头孢呋辛钠1.5 g预防感染。ECMO运行后2 h、6 h、12 h、随后每6 h采集动脉血检测ACT，调整肝素用量使ACT维持在140~200 s范围内。观察设备转速、流量、泵前压力、泵后压力、膜后压力等参数的变化，根据设备运行情况进行设备性能评分。监测动物血流动力学指标如心率、平均动脉压。于ECMO运行前及运行后2 h、6 h、12 h、随后每6 h采集动脉血检测乳酸水平，同时采集静脉血检测血常规与游离血红蛋白。ECMO运行72 h后，撤机拔管，观察泵头、氧合器、动静脉导管有无血栓形成；应用丙泊酚3 mg/kg与10%氯化钾10 mL对动物实施安乐死，大体解剖观察心、脑、肝、肺、肾等主要脏器有无梗死或出血等病变，以及留取组织标本择期行HE染色评估病理损伤情况。
1.6 统计学方法运用SPSS 24.0统计软件（美国IBM公司）进行统计学分析。正态分布的计量资料以均数±标准差(x±s) 表示，组内不同时间点比较，采用重复测量方差分析。以P < 0.05为差异有统计学意义。
2 结果 2.1 ECMO主机运行情况所有动物均成功运行ECMO系统72 h。不同时间点离心泵转速在预设范围内，为3 029~3 483 r/min，流量维持在2.24~2.60 L/min，见表 1；泵前压力维持在-107.57~-31.86 mmHg，泵后压力维持在197.50~282.43 mmHg，膜后压力维持在178.71~261.50 mmHg，均处于合理范围，且不同时间点比较差异无统计学意义（均P > 0.05，见图 3）。主机使用期间血流量满足目标要求，各部件牢固、运转稳定，监测系统工作正常，性能评分均在4分及以上，提示满足使用要求，见表 2。
| 编号 | 模式 | 体质量(kg) | 运转时间(h) | 结局 | 运转速度(转数/min) | 流量(L/min) |
| 1 | V-A | 55 | 72 h | 存活 | 3029±203.55 | 2.24±0.17 |
| 2 | V-A | 50.3 | 72 h | 存活 | 3469±287.33 | 2.60±0.26 |
| 3 | V-A | 56 | 72 h | 存活 | 3483±92.29 | 2.44±0.09 |
| 4 | V-A | 46 | 72 h | 存活 | 3431±81.79 | 2.43±0.16 |
| 5 | V-A | 48 | 72 h | 存活 | 3368±99.93 | 2.46±0.12 |
| 注：V-A，静脉-动脉ECMO | ||||||
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| BL，基 线；aF(3.036，12.143)=3.313 ；bF(2.358，9.432)=1.078 ；cF(1.82，7.28)=1.343，abc P>0.05 图 3 离心泵泵前压力、泵后压力、膜后压力的变化 Fig 3 The change of pressure before pump, after pump and behind membrane of centrifugal pump |
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| 编号 | 灌注量是否满足要求a | 离心泵各控制件是否牢固a | 运转稳定性a | 监测组件是否满足使用要求a |
| 1 | 4 | 5 | 5 | 4 |
| 2 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 3 | 4 | 5 | 5 | 4 |
| 4 | 4 | 5 | 5 | 4 |
| 5 | 4 | 5 | 5 | 4 |
| 注：a性能评分分类从1分到5分（5分：高于使用要求；4分：满足使用要求；3分：基本满足使用要求；2分：不满足使用要求；1分：严重不满足使用要求） | ||||
动物基线心率为(78.80±29.77) 次/min，平均动脉压（111.60±25.39）mmHg，乳酸（1.76±1.19）mmol/L。ECMO运转期间，心率为50~80次/min，平均动脉压85~115 mmHg，乳酸1.00~2.25 mmol/L，均处于正常范围，不同时间点的心率、平均动脉压、乳酸比较差异均无统计学意义（均P > 0.05，见图 4）。
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| BL，基线；aF(1.591，6.366)=1.427；bF(2.104，8.418)=1.139；cF(2.308，9.232)=0.799，abcP > 0.05 图 4 实验动物的心率、平均动脉压、乳酸变化 Fig 4 Change of heart rate, mean arterial pressure and lactic acid in experimental animals |
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溶血性损伤指标游离血红蛋白、血红蛋白的基线值分别为(11.96±3.26) mg/L、(9.28±1.49) g/dL，ECMO运转期间，游离血红蛋白为8.98~16.39 mg/L，血红蛋白6.58~7.52 g/L，不同时间点的游离血红蛋白、血红蛋白比较差异均无统计学意义（均P > 0.05）；血小板基线值为（335.00±175.65）×109/L，ECMO运转期间为（69.60~231.60）×109/L，随时间出现显著下降，不同时间点比较差异有统计学意义（P < 0.05）。ACT的基线值（112.80±22.52）s，全身抗凝后不同时间点值为135~169 s，位于目标范围内，不同时间点比较差异无统计学意义（P > 0.05），见图 5。
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| BL，基线；ACT，活化凝血时间；aF(2.313，9.25)=1.564；bF(2.103，8.411)=2.05；cF(1.703，6.813)=9.381；dF(1.976，7.904)=1.029; abdP > 0.05，cP < 0.05 图 5 实验动物游离血红蛋白、血红蛋白、血小板、ACT的变化 Fig 5 Change of free hemoglobin, hemoglobin, platelet and activate clotting time in experimental animals |
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ECMO运行72 h后，关键部件泵头和氧合器未见血栓形成，见图 6。
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| A：膜肺外观；B：膜肺纤维解剖；C：泵头外观；D：泵头解剖 图 6 实验终点ECMO管路的关键部位血栓形成情况 Fig 6 Thrombosis of ECMO key components at the end of experiment |
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所有动物解剖后，心、脑、肝、肺、肾等器官大体肉眼观未见明显血栓和梗死病灶，显微镜下亦未见明显出血和坏死等表现，见图 7。
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| A：心；B：脑；C：肝；D：肺；E：肾 图 7 实验动物重要器官的组织切片（HE染色，×200） Fig 7 HE staining pictures of important organs and tissues at the end of the experiment(HE stain× 200) |
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ECMO是目前主要的体外生命维持设备之一[5]，其基本原理是利用离心泵的抽吸作用将人体静脉血引出，通过氧合器进行气体交换，然后再泵入人体循环系统[6]，该原理在近30年里没有改变。但ECMO的各项关键技术仍在不断得到改进，其主要由血管内插管、连接管、离心泵、膜肺氧合器、供氧管、监测系统等部件组成[7]，是国内外研究开发的重点。
本实验评价的国产ECMO主机拥有自主知识产权[8]，其将离心泵和膜肺氧合器集合一体，采用磁耦合技术实现主机外部磁场同步驱动泵头磁性转子旋转并悬浮于泵体内，叶轮旋转带动血液从泵头侧孔吸入并从泵头中心出口流出。泵的转速1 000~5 000 r/min，最佳流量范围3.0~5.0 L/min，压头300~500 mmHg。泵的最大流量可达10 L/min。此外，该设备还配备有离心泵紧急驱动单元，在如停电、设备故障等紧急状态下，可以通过手摇的方式继续维持泵头旋转。该设备采用主流二代ECMO系统的设计原理，适配多种泵头及氧合器，并且结构简单，携带及组装方便，性能与德国Maquet公司的Cardiohelp相当，价格比国外同类产品更加低。作为具有长时程心肺转流的产品功能，要求运行时间大于24 h[9]，动物实验在数量选择上遵循的3R原则，因此，本实验采用5头实验猪进行72 h验证实验。猪的解剖、组织器官和生理参数与人相近[10]，选用大白猪作为实验动物可以提供一个类似人体的模型用以评价组织反应和临床使用。选用的PLS套包是目前临床认可的安全可靠的ECMO耗材。
ECMO的效果评价主要包括组织器官灌注、设备运行稳定性等。根据JACC专家建议，在支持人类患者时，静脉-动脉ECMO的流量应达到4~6 L/min[11]。在ECMO的动物实验中，Akiyama等[12]在山羊实验中设置泵转速大于4 000 r/min，流速在（2.2±0.7）L/min至（2.5±0.1）L/min之间，Shankarraman等[9]在绵羊急性肺动脉高压模型上测试成人ECMO管路，为达到平均流量的目标（2.2±0.1）L/min，设置泵转速在3 000~3 500 r/min。Sanchez-Lorente等[13]在猪模型中进行的驱动泵和氧合器的安全性及可行性研究，观察时间72 h，平均流量为2.16~0.43 L/min。Fujiwara等[14]在体型更大小牛实验中测试离心泵MedTech Mag-Lev，流量目标3 L/min，泵转数由2 800 r/min提高至最终的3 000 r/min。本实验采用具有完整心脏功能的健康猪模型，其体型介于山羊和小牛之间，本研究设置泵转数3 000~3 500 r/min，结果表明在预期所设离心泵转速范围内流量平均值达到2.24~2.60 L/min，与已有的动物研究结果相当。实验过程中离心泵转速及泵压稳定，离心泵各控制件牢固，灌注量满足要求，运转稳定性，监测组件满足使用要求，监测数据符合预期，设备性能满足使用要求。ACT数值达到并稳定在目标范围，实验动物无出血及血栓事件，抗凝效果符合预期。动物心率、平均动脉压、乳酸均波动在正常范围，提示血流动力学与组织灌注保持正常水平，笔者认为该ECMO主机达到了目标的运行效果。
ECMO的安全性评价包括出血和栓塞风险、生物相容性[15]。本研究中所有猪均未出现明显出血事件，重要器官病理损伤均未见明显出血情况。溶血性损伤作为生物兼容性的重要指标，是ECMO运行安全性评价的重要指标之一[16]。本研究观察到ECMO运转期间血红蛋白差异比较无统计学意义，另一项溶血性损伤指标游离血红蛋白上升趋势不显著，笔者认为溶血性损伤不显著。研究发现，ECMO支持过程中血小板计数会出现进行性下降[17-18]，在本研究中也观察到了这一现象，考虑泵头的损伤破坏是主要因素[19]，其他原因还包括血液稀释、肝素相关性血小板减少、药物影响、测量误差等[20]，与研究所评价主机无直接关系。综上所述，笔者认为本离心泵驱动的泵头对血液系统的溶血性损伤在可以接受的范围，该ECMO系统达到了目标的安全性。
本实验具有一些局限性，主要包括以下几个方面：①研究采用小样本、短时长观察评价方法，如能采用更多数量的实验猪进行更长时间的观察评价，有助于得到更加可靠的结果；②本研究顺利论证了新型国产ECMO主机的效果和安全性，但如能设置国外成熟的同类型ECMO主机进行对照研究，可能获得更加直观的对比效果。③初步观察发现动物抗凝效果达到目标范围，但如果术中增加更多的监测手段可能获得更加精准的效果。
综上所述，新型国产ECMO主机联合进口膜氧合器和管路建立的ECMO顺利运行72 h，达到目标效果和安全性预期。
利益冲突 所有作者声明无利益冲突
作者贡献声明 王旭光：研究设计、实验操作、数据收集及整理、统计学分析、论文撰写；徐杰丰：研究设计、实验操作、统计学分析；周光居：研究设计、实验操作；朱锦江、葛风、曹光立、周梅亚：实验操作、数据采集；李华：设备开发、技术指导；张茂：研究设计、论文修改
| [1] | 蒋京军, 张小明, 李伟, 等. 经皮主动脉腔内修复术的学习曲线初探[J]. 中国微创外科杂志, 2017, 17(2): 147-150. DOI:10.3969/j.issn.1009-6604.2017.02.012 |
| [2] | 高永山, 张振明, 金凤仙, 等. 经皮胸主动脉腔内修复术中使用Perclose ProGlide血管缝合器行预先埋置缝合技术的学习曲线[J]. 中国微创外科杂志, 2021, 21(4): 298-302. DOI:10.3969/j.issn.1009-6604.2021.04.003 |
| [3] | Eisenack M, Umscheid T, Tessarek J, et al. Percutaneous endovascular aortic aneurysm repair: a prospective evaluation of safety, efficiency, and risk factors[J]. J Endovasc Ther, 2009, 16(6): 708-713. DOI:10.1583/08-2622.1 |
| [4] | Metcalfe MJ, Brownrigg JRW, Black SA, et al. Unselected percutaneous access with large vessel closure for endovascular aortic surgery: experience and predictors of technical success[J]. Eur J Vasc Endovascular Surg, 2012, 43(4): 378-381. DOI:10.1016/j.ejvs.2011.12.025 |
| [5] | Lüsebrink E, Stremmel C, Stark K, et al. Update on weaning from veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation[J]. J Clin Med, 2020, 9(4): 992. DOI:10.3390/jcm9040992 |
| [6] | Au SY, Chan KS, Fong KM, et al. One-year experience of bedside percutaneous VA-ECMO decannulation in a high-ECMO-volume center in Hong Kong[J]. Perfusion, 2021, 36(8): 803-807. DOI:10.1177/0267659120971998 |
| [7] | Chandel A, Desai M, Ryan LP, et al. Preclosure technique versus arterial cutdown after percutaneous cannulation for venoarterial extracorporeal membrane oxygenation[J]. JTCVS Tech, 2021, 10: 322-330. DOI:10.1016/j.xjtc.2021.08.030 |
| [8] | Shah A, Ghoreishi M, Taylor BS, et al. Complete percutaneous decannulation from femoral venoarterial extracorporeal membrane oxygenation[J]. JTCVS Tech, 2021, 6: 75-81. DOI:10.1016/j.xjtc.2020.11.005 |
| [9] | Majunke N, Mangner N, Linke A, et al. Comparison of percutaneous closure versus surgical femoral cutdown for decannulation of large-sized arterial and venous access sites in adults after successful weaning of veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation[J]. J Invasive Cardiol, 2016, 28(10): 415-419. |
| [10] | Danial P, Hajage D, Nguyen LS, et al. Percutaneous versus surgical femoro-femoral veno-arterial ECMO: a propensity score matched study[J]. Intensive Care Med, 2018, 44(12): 2153-2161. DOI:10.1007/s00134-018-5442-z |
| [11] | Lüsebrink E, Stremmel C, Stark K, et al. Percutaneous decannulation instead of surgical removal for weaning after venoarterial extracorporeal membrane oxygenation-a crossed perclose ProGlide closure device technique using a hemostasis valve Y connector[J]. Crit Care Explor, 2019, 1(6): e0018. DOI:10.1097/CCE.0000000000000018 |
| [12] | van Wiechen MP, Tchétché D, Ooms JF, et al. Suture- or plug-based large-bore arteriotomy closure: a pilot randomized controlled trial[J]. JACC Cardiovasc Interv, 2021, 14(2): 149-157. DOI:10.1016/j.jcin.2020.09.052 |
| [13] | Abdel-Wahab M, Hartung P, Dumpies O, et al. Comparison of a pure plug-based versus a primary suture-based vascular closure device strategy for transfemoral transcatheter aortic valve replacement: the CHOICE-CLOSURE randomized clinical trial[J]. Circulation, 2022, 145(3): 170-183. DOI:10.1161/circulationaha.121.057856 |
| [14] | Shoeib O, Burzotta F, Aurigemma C, et al. Percutaneous transcatheter aortic valve replacement induces femoral artery shrinkage: angiographic evidence and predictors for a new side effect[J]. Catheter Cardiovasc Interv, 2018, 91(5): 938-944. DOI:10.1002/ccd.27248 |
| [15] | Honda Y, Araki M, Yamawaki M, et al. The ARAHKEY technique: a novel method for the management of access site bleeding during percutaneous transfemoral transcatheter aortic valve replacement[J]. Catheter Cardiovasc Interv, 2020, 96(3): E355-E359. DOI:10.1002/ccd.28610 |
| [16] | Xu C, Li J, Zhao JT, et al. Safety and effectiveness of a sequential suture and plug vascular closure devices technique for large-bore access closure after percutaneous endovascular aneurysm repair[J]. J Vasc Interv Radiol, 2023, 34(7): 1143-1148. DOI:10.1016/j.jvir.2023.03.019 |
| [17] | 王博, 刘丽媛, 梁立雯, 等. ProGlide血管缝合器在经皮穿刺静-动脉模式体外膜肺氧合血管通路中的应用[J]. 心脏杂志, 2023, 35(1): 62-66. |
| [18] | Krajcer Z, Wood DA, Strickman N, et al. Pivotal clinical study to evaluate the safety and effectiveness of the MANTA vascular closure device during percutaneous EVAR and TEVAR procedures[J]. J Endovasc Ther, 2020, 27(3): 414-420. DOI:10.1177/1526602820912224 |
| [19] | Moriyama N, Lindström L, Laine M. Propensity-matched comparison of vascular closure devices after transcatheter aortic valve replacement using MANTA versus ProGlide[J]. EuroIntervention, 2019, 14(15): e1558-e1565. DOI:10.4244/eij-d-18-00769 |
| [20] | 高国栋, 龙村, 胡强, 等. 体外膜肺氧合支持治疗期间机体凝血功能的动态变化[J]. 实用临床医药杂志, 2015, 19(9) 9-11, 17. DOI:10.7619/jcmp.201509003 |