CN107734967B - 在获得的可移植的心脏中调节钙离子稳态 - Google Patents
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Abstract
一种用于在获取供体心脏后立即再灌注的氧合的心脏停搏组合物。所述组合物包含:用于在接触后引起心脏收缩功能立即停止的腺苷‑利多卡因混合物;正常血钾浓度的钾离子;选定浓度的Ca2+离子,以将获得的心脏肌细胞中的Ca2+离子的胞内水平维持于约10‑4mmol/L;和pH 6.9。所述氧合的心脏停搏组合物预加温至约35℃且随后用于在供体心脏获取后立即再灌注至少3分钟。
Description
技术领域
本发明涉及获得的心脏在移植到受体对象前进行获得后维持,更具体地,涉及灌注液组合物和其用于延长获得的心脏离体维持的应用。
发明背景
心力衰竭影响10%的北美洲人,且是出院诊断中的主要内容。心力衰竭诊断伴随着与主要癌症相当的生存前景。心力衰竭患者可用的康复选择有限,很少有策略实际上为心脏重新提供动力。心脏移植仍是终末期心力衰竭患者的黄金标准治疗干预,加入移植等待名单的个体数量每年增加。然而,此维持生命的干预的广泛应用受到供体可用性限制。国际心脏和肺移植注册协会(International Society of Heart and LungTransplantation Registry)的数据显示,心脏移植的合适供体逐步下降(2007,OverallHeart and Adult Heart Transplantation Statistics)。在最近十年中,258名加拿大人在等待心脏移植时死亡(2000-2010;加拿大心脏与中风基金会(Heart and StrokeFoundation of Canada))。类似地,在美国,304名患者在2010年孤独死去,他们同时也在等待心脏移植(器官获取和移植网络(Organ Procurement and Transplantation Network),美国卫生和人类服务部(US Dept.of Health&Human Service))。此现象主要归因于缺乏合适器官供体,并且全球都面临该问题。
时间对于从供体移出心脏和其成功植入受体非常重要。为了在从供体移出和移植之间的时期使供体心脏的保存最佳,一般应用以下原则:(i)使细胞肿胀和水肿减到最少,(ii)防止胞内酸中毒,(iii)防止氧自由基导致的损伤,和(iv)提供用于在再灌注期间高能磷酸化合物和ATP再生的底物。用于移植的供体心脏的2种主要来源是由头部钝伤或脑内出血引起大脑功能不可逆丧失并归类为“脑干死亡”供体的仅维持呼吸的患者,和循环死亡并称为“无心跳”或“心脏死亡”供体或循环死亡供体(DCD)的患者。
脑干死亡的器官供体能在人工呼吸下维持一段延长的时间以提供遍及全身的相关的血液动力学稳定性,直至取出器官的时间点。因此,心脏灌注不受影响,且理论上维持器官功能。然而,脑干死亡本身能深刻影响心功能。对脑干死亡的体液反应表征是循环儿茶酚胺明显升高。对此“儿茶酚胺风暴”的生理反应包括血管收缩、高血压和心动过速,这些都增加心肌氧需求。在冠状循环中,整个血管系统内明显增加的儿茶酚胺循环水平会诱导血管收缩,进而影响心肌氧供给并能导致心内膜下缺血。此心肌氧供给与需求之间的失衡是涉及脑干死亡后观察到的心功能受损的一个因素(Halejcio-Delophont et al.,1998,Increase in myocardial interstitial adenosine and net lactate production inbrain-dead pigs:an in vivo microdialysis study.Transplantation 66(10):1278-1284;Halejcio-Delophont et al.,1998,Consequences of brain death on coronaryblood flow and myocardial metabolism.Transplant Proc.30(6):2840-2841)。脑干死亡后出现的结构性心肌损伤表征为肌细胞溶解、收缩带坏死、心内膜下出血、水肿和间质单个核细胞浸润(Baroldi et al.,1997,Type and extent of myocardial injury relatedto brain damage and its significance in heart transplantation:a morphometricstudy.J.Heart Lung Transplant 16(10):994-1000)。尽管无直接心脏损害,脑干死亡的供体通常显示心功能降低且目前来看仅40%的心脏能从该供体群回收用于移植。
已开发了许多灌注装置、系统和方法用于离体维持和移植获得的器官。大部分采用低温条件以减少器官代谢、降低器官能量需求、延迟高能磷酸储备耗尽、延迟乳酸积聚以及防止与氧合血供应破坏相关的形态和功能恶化。获得的器官一般在这些系统中用含抗氧化剂和丙酮酸的保存液低温灌注,以维持其生理功能。
本领域技术人员已认识到低温装置、系统和方法的缺点,开发了替代性装置、系统和方法用于在约25℃-约35℃温度范围内,通常称为“常温”的温度,保存和维持获得的器官。常温系统一般使用基于Viaspan配制物(也称为威斯康星大学溶液或UW液)的灌注液,所述配制物补充有:作为蛋白质和胶质来源的一种或多种血清白蛋白,用于增强活力和细胞功能的微量元素、用于支持氧化磷酸化的丙酮酸和腺苷、作为贴附因子的转铁蛋白、用于支持代谢的胰岛素和糖、用于清除有毒自由基的谷胱甘肽,以及非通透性物质来源、作为非通透性物质来源的环糊精、清除剂、细胞粘附和生长因子的增强剂、用于支持微血管代谢的高Mg++浓度,用于生长因子增强和止血的粘多糖和内皮生长因子(Viaspan包含乳糖酸钾、KH2PO4、MgSO4、棉子糖、腺苷、谷胱甘肽、别嘌呤醇和羟乙基淀粉)。已开发并使用其它常温灌注溶液(Muhlbacher et al.,1999,Preservation solutions fortransplantation.Transplant Proc.31(5):2069-2070)。尽管获得的肾和肝能在常温系统中维持超过12小时,很显然常温浴和通过脉冲灌注维持获得的心脏超过12小时可导致心脏生理功能退化及不可逆衰弱。使用常温连续脉冲灌注系统以维持获得的心脏的另一缺点是从供体切下心脏,将其装入常温灌注系统且随后开始和稳定灌注的过程所需的时间。切离的心脏稳定后,确定其生理功能,若符合移植标准,则将该切离心脏尽快运送到移植设施。
在脑干死亡供体的情况下,心脏在获取时一般是温暖且跳动的。其随后被停止,冷却,放置冰上直至移植。冷却获得的心脏可使其代谢活性和相关要求降低约95%。然而,一些代谢活性持续,从而心肌开始死亡,临床数据显示一旦冷却获得的心脏延长超过4小时,移植后1年死亡的风险上升。例如,与接受冷却小于1小时的心脏的接受者相比接受通过冷却保存6小时的心脏的接受者移植后1年的死亡风险是超过两倍(Taylor et al.,2009,Registry of the International Society for Heart and Lung Transplantation:Twenty-sixth Official Adult Heart Transplant Report–2009.JHLT 28(10):1007-1022)。
对于从无心跳供体获得器官用于移植,已发展出明确的标准(Kootstra et al.,1995,《Categories of non-heart-beating donors.Transplant Proc.27(5):2893-2894;Bos,2005,Ethical and legal issues in non-heart-beating organdonation.Transplantation,2005.79(9):p.1143-1147)。无心跳供体的脑功能极小,但不符合脑干死亡标准且因此,不能在法律上宣布脑干死亡。当显然患者没有希望发生有意义复苏时,医生和家属必须一致同意撤去支持性治疗措施。达到该护理点时,无心跳患者通常用机械通气以及静脉内肌肉收缩药或血管加压药支持。然而,仅单一系统器官衰竭(神经系统)的那些人可考虑用于器官捐赠。撤去生命维持设备最常见的是停止机械通气,然后是缺氧心搏停止,接着患者在允许器官获取前必须保持停搏5分钟。因此,无心跳供体必需在心搏停止后暴露于可变时间段的热缺血,这可能导致不同程度的器官损伤。然而,只要热缺血持续时间不过度,获得自无心跳供体的许多类型的器官如肾、肝和肺能在移植后恢复功能,成功率接近来自脑干死亡的有心跳供体的移植器官。获得自脑死亡供体的心脏经历缺血期,限于从器官获取到移植的时间,而获得自心脏死亡后的供体的心脏经历更多缺血损伤事件,包括血氧过低骤停事件(hypoxemic arrest event),在器官获得可以开始前的强制性搁置5分钟期间出现的热缺血损伤,和在心脏获得后的后续再灌注期间出现的进一步的缺血损伤。由于器官获得开始前的时间延误期间出现的缺血损伤程度,来自心脏死亡后的供体的心脏不用于移植入接受者。
发明内容
本公开的示范性实施方式涉及灌注液,用于浸渍和浸浴(bathing)获得的心脏,同时流过所述心脏。
本公开的一些示范性实施方式涉及灌注液用于离体维持获得的心脏以将获得后的缺血损伤减到最少并进行修复(remediate)的用途。
本公开的一些示范性实施方式涉及离体维持获得的心脏以将获得后缺血损伤的出现和程度减到最低的方法。
附图简要说明
结合以下附图描述本发明,其中:
图1的流程示意图概括实施例1所用实验方案;
图2显示初始3分钟再灌注时期后获得的心脏中所达到的心肌温度;
图3显示温度对通过获得的心脏的冠脉血流量的影响,在初始3分钟再灌注时期后测量;
图4显示温度对冠状血管对通过获得的心脏的血流的阻力的影响,在初始3分钟再灌注时期后测量;
图5显示温度对来自获得的心脏的冠状窦乳酸盐冲洗物的影响,在初始3分钟再灌注时期后测量;
图6显示获得的心脏再灌注5小时后,温度对灌注液中肌钙蛋白I(心肌损伤标志物)积聚的影响;
图7(A)是在5℃再灌注的获得的心脏的截面显微照片,显示毛细血管中的肿胀的内皮细胞,而图7(B)是在35℃再灌注的获得的心脏的截面显微照片,显示毛细血管中的正常的内皮细胞;
图8的显微照片显示再灌注温度对获得的心脏中内皮细胞和肌细胞损伤的影响;
图9显示温度对再灌注1小时、2小时和3小时后获得的心脏心指数的影响;
图10显示温度对再灌注1小时、2小时和3小时后获得的心脏收缩功能的影响;
图11显示温度对再灌注1小时、2小时和3小时后获得的心脏舒张功能的影响;
图12的示意图概括实施例2所用心脏停搏液的温度和Ca2+离子浓度;
图13的流程示意图概括实施例2所用实验方案;
图14显示Ca2+离子浓度增加对再灌注的获得的心脏增重的影响;
图15显示Ca2+离子浓度增加对1小时离体再灌注后获得的心脏心输出量的影响;
图16显示Ca2+离子浓度增加对1小时离体再灌注后获得的心脏在心脏收缩期间左心室收缩性的影响;
图17显示Ca2+离子浓度增加对1小时离体再灌注后获得的心脏在心脏舒张期间左心室舒张的影响;
图18的示意图概括实施例3所用的心脏停搏液的温度和Ca2+离子浓度和pH;
图19的流程示意图概括实施例3所用实验方案;
图20显示降低心脏停搏液pH对再灌注的获得的心脏增重的影响;
图21显示降低心脏停搏液pH对1小时离体再灌注后获得的心脏心输出量的影响;
图22显示降低心脏停搏液pH对1小时离体再灌注后获得的心脏在心脏收缩期间左心室收缩性的影响;
图23显示降低心脏停搏液pH对1小时离体再灌注后获得的心脏在心脏舒张期间左心室舒张的影响;
图24的示意图概括实施例4所用心脏停搏液的温度和Ca2+离子浓度和pH,以及再灌注的持续时间;
图25的流程示意图概括实施例4第1部分所用实验方案;
图26显示初始再灌注持续时间对再灌注的获得的心脏增重的影响;
图27显示初始再灌注持续时间对获得的心脏心肌功能的影响;
图28的流程示意图概括实施例4第2部分所用实验方案;
图29显示延长用麻醉剂浓度降低的心脏停搏液初始再灌注对获得的心脏增重的影响;
图30显示延长用麻醉剂浓度降低的心脏停搏液初始再灌注对获得的心脏心肌功能的影响;和
图31显示心脏停搏液中麻醉剂浓度对再灌注的获得的心脏心肌功能的影响。
发明详述
除非另有定义,否则本文所用的全部技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解相同的意义。为了充分理解本文所述发明,本文提供以下术语和定义。
单词“包含(comprise)”或诸如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”等变化应理解为指包括所示整数或整数组,但不排除任何其它整数或整数组。
术语“约”或“大致”指在给定值或范围的20%以内,优选10%以内,更优选5%以内。
本文所用的术语“调节”指通过增加到设备的信号以提高设备输出,或减少到设备的信号以降低设备输出而调节设备操作。
术语“后负荷”指心室为了收缩而产生的张力。这也能视作心脏射血必须针对的“负荷”。因此,后负荷是主动脉大血管顺应性、波反射和小血管阻力(左心室后负荷)或类似肺动脉参数(右心室后负荷)的结果。
术语“前负荷”指单一心肌细胞在临收缩前的拉伸,并因而与肌节长度相关。由于肌节长度不能在完整心脏中测定,采用其它前负荷指标如心室舒张末期容积或心室舒张末期压。例如,当静脉回流增加时,前负荷提高。
术语“心肌细胞”指心脏肌肉细胞。
术语“搏出量”(SV)指单收缩中的右/左心室的射血量。其是舒张末期容积(EDV)与收缩末期容积(ESV)之间的差异。在数学上,SV=EDV-ESV。搏出量受前负荷、后负荷和收缩变力性(inotropy)(收缩性)变化影响。正常心脏中,后负荷对SV影响不强烈,而衰竭心脏中,SV对后负荷变化高度敏感。
术语“搏出功”(SW)指左或右心室将搏出量分别射入主动脉或肺动脉所作的功。由压力/容积环封闭的面积是心室搏出功的量度,其是搏出量和平均主或肺动脉压(后负荷)的产物,取决于所考虑的是左心室还是右心室。
术语“射血分数”(EF)指每次收缩期间从心室射出的舒张末期容积的分数。在数学上,EF=SV/EDV。健康心室一般射血分数大于0.55。低EF通常指示收缩功能障碍且严重心力衰竭能导致EF小于0.2。EF也用作心脏收缩变力性(收缩性)的临床指标。收缩变力性增加导致EF上升,而收缩变力性减少会降低EF。
术语“收缩末期压力容积关系”(ESPVR)描述左心室在任何给定左心室容积或者右心室在任何给定右心室容积,可能发展的最大压力。这意味着PV环无法跨越就任何给定收缩状态定义ESPVR的线。ESPVR斜率(Ees)代表收缩末弹性,提供心肌收缩性指标。ESPVR对前负荷、后负荷和心率变化相对不敏感。这使其相对于其它血液动力学参数如射血分数、心输出量和搏出量的成为改良收缩功能指标。随着收缩变力性(收缩性)增加,ESPVR变得更陡并左移。随着收缩变力性(收缩性)减小,ESPVR变得更平并右移。
术语“前负荷补充搏功关系”(PRSW)指心肌收缩性量度,且是SW与EDV之间的线性关系。
术语“压力-容积面积”(PVA)指心室收缩产生的总机械能。这等于搏出功(SW)与弹性势能(PE)之和,SW由PV环涵盖。在数学上,PVA=PE+SW。
术语“dP/dt max”是左心室整体收缩性的量化量度。心缩期间的收缩力越大,左心室压力增加率越高。
术语“dP/dt min”是心舒期间左心室舒张的量化量度。
本文所用的术语“DND”指循环死亡后的供体。
本文所用的术语“DBD”指脑死亡后的供体。
术语“Langendorff灌注”指用营养丰富的氧合液经主动脉逆向灌注切下的心脏的方法。反向的压力引起主动脉瓣关闭,从而迫使溶液进入冠状血管,这通常向心脏组织提供血液。这为心肌补料营养物和氧气,允许其从动物中取出后继续跳动数小时。
本文所用的术语“工作心脏”指临床离体冠状动脉灌注通过整个切下的心脏,这是通过经左心房的心室填充和经主动脉的左心室射血进行的,由心脏收缩功能和常规心律驱动。切下的心脏在Langendoff制剂中由套管连接到灌注液储存器和循环泵。“工作心脏”模式中通过切下的心脏的灌注液流的方向与Langedorff灌注期间灌注液流的方向相反。
术语“缺血”指抑制血流和氧气进入心脏时出现的病症。
本文所用的术语“再灌注”指将获得的心脏同步浸入不断流动供应的富氧溶液灌注液,同时可选地将灌注液同步泵送通过心脏。
本文所用的术语“再灌注损伤”指在缺血阶段或缺氧后经灌注液向组织供氧时,获得的心脏中发生的组织损伤。缺血阶段中心脏缺乏氧气和营养物会引起病症,其中循环恢复通过诱导氧化应激而不是恢复正常功能导致炎症和氧化损伤。
本文所用的术语“心麻痹”指通过阻滞或停止心跳有意识地使心脏活动临时停止。可以通过直接冷却和/或冷却并同步施用含一种或多种会导致心肌麻痹的化学品的溶液对跳动心脏施加心麻痹。
本文所用的术语“心脏停搏液”指含化学组分的溶液,容液导致心脏停搏,即心脏麻痹。
本文所用的术语“稳态”指在获得的心脏的肌细胞内或之中维持稳定和相对恒定的代谢平衡。
本文所用的术语“正常血钾”指具有或表征为正常浓度的血液中的钾。正常血清钾水平范围是3.5mEq/L-5.0mEq/L。
本文所用的术语“高血钾”指具有或表征为比正常血钾浓度显著上升的钾浓度。高血钾浓度包括超过6.0mEq/L的任何钾浓度。
本文所用的术语“常温”指具有正常体温,平均为约37℃。
本文所用的术语“低温”指小于约20℃的温度。
就从脑死亡供体和心脏死亡供体合乎伦理地获取可移植心脏而言必然出现的医学上规定的事件,势必造成出现心搏骤停和一系列导致心肌损伤的缺血事件,且无法改良。
缺血伴随着进入和离开心肌细胞的离子交换模式显著变化作为供氧缺失的结果。随着氧气可用性减少和停止,心肌细胞代谢从有氧变成无氧,直接后果是胞内pH水平迅速降低,进而导致从肌细胞分泌入胞外空间的H+离子量增加,同时跨细胞膜的离子电位由于失去ATP而愈发去活化,从而显著降低Na+/Ca2+离子交换。最终结果是胞内Ca2+离子水平超负荷增加。胞内Ca2+离子水平增加可活化破坏细胞结构的Ca2+依赖性蛋白酶,导致细胞死亡。这类破坏的严重性随着缺血情况的持续时间而增加。
可通过获得后尽快在血液或血替代产品中再灌注获得的心脏减少在获取供体心脏期间出现的缺血损伤,所述血替代产品是例如Viaspan和(CELSIOR是Genzyme Corp.(MA,USA)的注册商标)。再灌注引起迅速恢复,即胞外pH增加导致H+离子稳健分泌,这逆转跨心脏细胞膜的Na+/Ca2+离子交换,导致“反向模式”分泌积聚的胞内Na+离子,伴随Ca2+离子流入,伴有ATP合成恢复,然后是Ca2+离子后续再分泌。然而,尽管再灌注可在获得的心脏中重建有氧呼吸和代谢,再灌注通常导致对心脏肌细胞的进一步损伤(即再灌注损伤)。例如,胞内pH立即增加可引起活性氧产生,其激活亚细胞信号,进而活化导致细胞凋亡和细胞因子释放的炎症级联反应。另外,活性氧直接破坏DNA结构和蛋白结构,从而导致细胞死亡。另一与再灌注相关的问题是在灌注过程中非常难以调整Ca2+离子胞内水平,结果是再灌注进一步增加心脏肌细胞的胞内Ca2+离子超负荷。
当心脏肌细胞在再灌注期间超负荷胞内Ca2+离子水平时,心脏收缩势必造成破坏型坏死,称为收缩带坏死,是再灌注诱导的钙再进入后大规模肌原纤维收缩的结果。这种再灌注损伤的形式被认为是最严重的。
因此,在获取后即刻和再灌注期间冷却供体心脏的基本原理是尽快降低心肌细胞内的代谢活性以使胞内Ca2+离子超负荷所导致的缺血损伤程度最小化,从而尽可能减少再灌注期间的活性氧产生,并尽可能减少再灌注期间的后续胞内Ca2+离子超负荷。
我们发现供体心脏的心肌损伤可通过着眼于维持获得和再灌注过程期间心脏内和周围钙离子稳态的策略来最小化。我们的策略包括两部分,其中第一部分是含氧心脏停搏组合物,用作获得的心脏获取期间的灌注液以及获得后紧接着的一段时间,其间获得的心脏再灌注至少3分钟。获得的心脏后紧接着的至少3分钟再灌注阶段称为即刻-早(IE)期。我们策略的第二部分是在获取过程和获得后再灌注阶段中避免冷却心脏,相反在获得期间、IE再灌注期间和获得的心脏后续离体维持期间维持常温条件。
因此,本公开的一个示范性实施方式涉及示范性心脏停搏组合物,用于引起供体心脏节奏性跳动在其接触心脏停搏组合物后立即停止。所述心脏停搏组合物包含腺苷-利多卡因混合物,正常血钾浓度的钾离子,选定浓度的Ca2+离子,以将获得的心脏的肌细胞中胞内Ca2+离子水平维持于约10-4mmol/L,和pH 6.9。合适的腺苷-利多卡因混合物包含300μmοL/L、325μmοL/L、350μmοL/L、375μmοL/L、400μmοL/L、425μmοL/L、450μmοL/L腺苷以及40μmοL/L、45μmοL/L、50μmοL/L、55μmοL/L、60μmοL/L、70μmοL/L、80μmοL/L、90μmοL/L利多卡因。所述心脏停搏组合物另外包含8.0-12.5mmol/L葡萄糖,120-140mmol/L NaCl,4.0-7.0mmol/LKCL,12.0-16.0mmol/L NaHCO3,0.9-1.4mmol/L NaH2PO4,0.18-0.26mmol/L CaCl2,11.0-15.0mmol/L MgCl2,7.5-12.5IU/L胰岛素,100.0-140.0mmol/L D-甘露醇,0.75-1.25mmol/L丙酮酸以及2.5-3.5mmol/L还原型谷胱甘肽。特别合适的示例性心脏停搏组合物包含400μmοL/L腺苷,50μmοL/L利多卡因,10.0mmol/L葡萄糖,131.8mmol/L NaCl,5.9mmol/L KCL,14.0mmol/L NaHCO3,1.2mmol/L NaH2PO4,0.22mmol/L CaCl2,13.0mmol/L MgCl2,10.0IU/L胰岛素,120.0mmol/L D-甘露醇,1.0mmol/L丙酮酸以及3.0mmol/L还原型谷胱甘肽。:通过在用于浸浴和再灌注获得的供体之前和期间,使O2气流经过心脏停搏组合物起泡,对所述心脏停搏组合物进行氧合。
本公开的另一个示范性实施方式涉及示范性氧合的心脏停搏组合物在约35℃常温再灌注获得的心脏中的应用。因此,示范性氧合的心脏停搏组合物加温到约35℃,然后在获取和完成获取后的后续IE再灌注期间接触心脏至少3分钟。常温条件下于示范性氧合的心脏停搏组合物中进行初始IE再灌注阶段后,可通过将获得的心脏装入合适装置来复苏以离体维持具有收缩功能的获得的心脏,这是通过将装置内提供的管道设施与心脏主动脉、肺动脉、肺静脉和腔静脉互联,切下的心脏在恒定流动的灌注液中浸浴,所述灌注液包括氧合血和/或氧合血替代溶液。另外,恒定流动的灌注液流经心室,同时其维持于该装置内。这类装置一般配置有:(i)灌注液泵送系统,(ii)流量传感器,用于监控灌注液流入或流出所装的心脏主动脉、肺动脉、肺静脉和腔静脉,(iii)ECG装置,与切下的心脏可互连,(v)探针,将所装心脏与仪器互连以监控切下的心脏的生理功能,使用负载无关指标和负载依赖性指标,和可选的(vi)起搏器,用于起始和/或维持心脏收缩功能。
用本文公开的示范性氧合的心脏停搏组合物会为获得的心脏提供离体维持心脏所必需的离子补足物以继续产生ATP并将过量钙泵出心肌细胞,同时使心脏保持麻痹状态,即非跳动停搏状态,从而尽可能减少收缩带坏死出现的可能性。不希望受任何特定理论约束,示范性氧合的心脏停搏组合物在常温再灌注获得的心脏中的应用可能在植入受体对象后,促进钙离子稳态的快速恢复和促进更迅速复原及功能性操作获得的心脏。
提供以下实施例以更充分描述本公开,并且介绍以下实施例是为了非限制性阐明目的。
实施例
实施例1:
显然,用于尽可能减少供体心脏的获得后离体创伤和损伤的策略需要理解缺血期间和再灌注期间/之后在心脏中发生的离子变化。
缺血期间,心脏代谢从有氧变成无氧,然后在心肌细胞内生成质子。过量质子通过肌细胞细胞壁流出,交换经Na+/K+泵进入的(ingressing)Na+离子。随着肌细胞内的ATP储备耗尽,肌细胞无法经Na+/K+泵将进入的Na+离子泵出。因此,随着缺血持续时间推进,积聚了:(i)肌细胞内的Na+离子和(ii)肌细胞内外的Na+离子和H+离子。
在再灌注期间,洗去肌细胞外的H+离子,导致出现跨肌细胞壁的巨大的Na+/H+梯度,引起Na+离子大量流入肌细胞。Na+离子浓度增加使得Na+/Ca2+泵以反向模式运作,导致随着Na+/Ca2+泵尝试平衡肌细胞内外的Na+离子水平,Ca2+离子流入肌细胞。如果Ca2+超负荷肌细胞能收缩,可能出现致命的过度挛缩(过度挛缩也常称为“收缩带坏死”)。因而,复苏DCD心脏的一个主要目标是缓解肌细胞中的Ca2+离子超负荷。
因此,我们的目标是如下防止获得的DCD心脏收缩:用含麻醉剂的心脏停搏液再灌注,同时提供再生ATP所需底物,从而再灌注的心脏能通过泵送Na+离子和Ca2+离子来恢复其稳态并由此尽可能减少缺血性再灌注创伤和损伤。由于产生ATP以提供跨Na+/K+泵和Na+/Ca2+泵交换离子所需的能量,我们的想法是再灌注获得的供体心脏有利于更迅速恢复离子稳态和心功能恢复。因此,第一研究评价了再灌注温度对获得的供体心脏的影响。
将18头猪分成3组,随后遵循图1所示流程示意图根据标准方案和医学伦理学程序处死。
将6头猪分入第一组。完成各心脏获取后,各心脏立即装入Quest2心肌保护系统(MPS Quest Medical Inc.(Allen,TX,USA)的注册商标)以精确控制再灌注压力和温度。来自第一组猪的获得的心脏用示范性氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物冷却至5℃,然后开始再灌注过程。在3分钟初始再灌注期中连续监测主动脉灌注压力、冠状动脉流量和心肌温度并由2设备记录。血气样品在初始再灌注期的0、30、60、120和180秒测量以收集数据,尤其涉及O2分压(PaO2)、CO2分压(PaCO2)、pH水平、电解质水平、乳酸盐水平出现的变化。
初始3分钟再灌注期结束后,从Quest2设备中移出各心脏并转移到离体心脏灌注(EVHP)设备,在该处其灌注有不断流动供应的血-STEEN溶液混合物(Hb 45g/L;XVIVO Perfusion Inc.,Englewood,CO,USA),其中其收缩功能恢复并维持Landorff模式,35℃常温下持续6小时。连续监测主动脉压和心率,并用软件(LABCHART是ADInstruments Pty.Ltd.(Bella Vista,NSW,Australia)的注册商标)处理。在EVHP设备中的血-STEEN溶液混合物灌注1小时、3小时和5小时后,各心脏从Langendorff模式转换到工作模式,这是通过使左心房压从0到8mmHg并以100bpm起搏心脏进行的。测量心输出量、冠脉血流量、主动脉根和冠状窦血气,用压力-容积环导管评估心功能。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式。
将5头猪分入第二组,并以如上所描述的对第一组的方式进行处理,除了IE再灌注用在开始再灌注过程前凉到25℃的示范性氧合的心脏停搏组合物完成。
将7头猪分入第三组,并以如上所描述的对第一组的方式进行处理,除了IE再灌注用在开始再灌注过程前加温到35℃的示范性氧合的心脏停搏组合物完成。
图2的数据显示接受用冷却到5℃的示范性氧合的心脏停搏组合物IE再灌注处理的心脏中所记录的心肌温度在3分钟IE再灌注期结束时下降到约10℃。接受用凉到25℃的示范性氧合的心脏停搏组合物IE再灌注的心脏所记录的心肌温度,而接受用示范性氧合的心脏停搏组合物常温IE再灌注的心脏所记录的心肌温度是约35℃。
图3显示相较于接受示范性氧合的心脏停搏组合物常温再灌注的心脏中的冠脉血流,用凉至25℃的示范性氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏中的冠脉血流速度减少约15%。然而,相较于接受示范性氧合的心脏停搏组合物常温再灌注的心脏中的冠脉血流,用冷却至5℃的示范性氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏中的冠脉血流速度减少近50%。
图4显示相较于用常温氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏,用经凉的氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏中的冠状血管阻力下降约40%,而冷却的氧合的心脏停搏组合物引起冠状血管阻力下降超过50%。
图5显示相较于接受常温IE再灌注处理的心脏中的冠状窦乳酸盐水平,接受冷却的IE再灌注处理的心脏中的冠状窦乳酸盐降低超过50%,接受凉的IE再灌注处理的心脏中降低约25%。
图6显示相对于接受常温IE再灌注处理的心脏中观察到的水平,肌钙蛋白I(心肌损伤标志物)水平随着IE再灌注温度减少而增加。
图7(A)的电子显微照片显示接受冷却的IE再灌注处理3分钟的心脏毛细管中的肿胀内皮细胞,而图7(B)的电子显微照片显示接受常温IE再灌注处理3分钟的心脏毛细管中的典型表现正常内皮细胞。
图8比较来自接受冷却的IE再灌注3分钟的心脏的内皮细胞损伤和肌细胞损伤得分与来自接受常温IE再灌注3分钟的心脏得分。
图9显示用凉的氧合的心脏停搏组合物和冷却的氧合的心脏停搏组合物的IE再灌注对心脏指数的影响,用常温氧合的心脏停搏组合物进行IP灌注的影响。
图10比较初始IE再灌注温度在用血-STEEN溶液混合物进行心脏复苏及灌注1小时、2小时和3小时后对获得的心脏后续收缩功能的影响。
图11比较初始IE再灌注温度在用血-STEEN溶液混合物心脏复苏及灌注1小时、2小时和3小时后对获得的心脏后续舒张功能的影响。
此研究收集的数据证明初始再灌注条件显著影响从DCD供体所移出心脏获得后创伤的严重度,以及再灌注心脏的功能恢复。
实施例2:
第二研究评估降低心脏停搏液中Ca2+离子浓度的影响,以测定降低肌细胞外Ca2+水平是否会使Na+/Ca2+泵反向模式功能最小化,从而减少肌细胞内Ca2+离子积聚。因此,此研究评价心脏停搏液中50μmοL/L、220μmοL/L、500μmοL/L和1250μmοL/L Ca2+离子的影响(图12)。所有再灌注在35℃完成。
将24头猪分成4组,随后,遵循图13所示流程示意图根据标准方案和医学伦理学程序处死。完成各心脏获取后,各心脏立即装入Quest2心肌保护系统。来自第一组猪的获得的心脏用示范性氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物含50μmοL/L Ca2+离子,其在开始再灌注过程前加温至35℃。获得自第二组猪的心脏用示范性氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物含220μmοL/L Ca2+离子,其在开始再灌注过程前加温至35℃。获得自第三组猪的心脏用示范性氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物含500μmοL/LCa2+离子,其在开始再灌注过程前加温至35℃。获得自第四组猪的心脏用示范性氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物含1,250μmοL/L Ca2+离子,其在开始再灌注过程前加温至35℃。
在3分钟初始再灌注期中连续监测主动脉灌注压力、冠状动脉流量和心肌温度并由2设备记录。血气样品在初始再灌注期的0、30、60、120和180秒测量以收集数据,尤其涉及O2分压(PaO2)、CO2分压(PaCO2)、pH水平、电解质水平、乳酸盐水平出现的变化。
初始3分钟再灌注期结束后,从Quest2设备中移出各心脏并转移到离体心脏灌注(EVHP)设备,在该处其灌注有不断流动供应的血-STEEN溶液混合物(Hb 45g/L;XVIVO Perfusion Inc.,Englewood,CO,USA),其中其收缩功能恢复并维持Landorff模式,35℃常温下持续1小时。连续监测主动脉压和心率,并用软件处理。在EVHP设备中的血-STEEN溶液混合物灌注1小时的时候,各心脏从Langendorff模式转换到工作模式,这是通过使左心房压从0到8mmHg并以100bpm起搏心脏进行的。测量心输出量、冠脉血流量、主动脉根和冠状窦血气,用压力-容积环导管评估心功能。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式。
图14显示用含220μmοL/L Ca2+离子的示范性氧合的心脏停搏组合物在35℃初始再灌注的心脏比用含另3种Ca2+离子浓度之一的氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏发展出显著更小的心肌水肿。
图15显示随着氧合的心脏停搏组合物中的Ca2+离子浓度从1,250μmοL/L降至220μmοL/L,再灌注心脏的心输出量(心脏重量指出的)改善。然而,用含50μmοL/L Ca2+离子的氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏心输出量很弱,这可能是由于“钙反常”,其中单独缺血,通过ATP耗竭,能引起胞浆钙浓度增加。
图16显示随着氧合的心脏停搏组合物中的Ca2+离子浓度从1,250μmοL/L降至500μmοL/L再到220μmοL/L,再灌注心脏在心缩期间的左心室收缩性(如dP/dt max所测)。然而,用含50μmοL/L Ca2+离子的氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏左心室收缩性很弱,也可能是由于钙反常。
图17显示随着氧合的心脏停搏组合物中的Ca2+离子浓度从1,250μmοL/L降至500μmοL/L再到220μmοL/L,再灌注心脏在心舒期间的左心室舒张性(如dP/dt min所测)。然而,用含50μmοL/L Ca2+离子的氧合的心脏停搏组合物再灌注的心脏左心室舒张性很弱,也可能是由于钙反常。
此研究中收集的数据证明用低血钙氧合的心脏停搏组合物在35℃初始再灌注获得的心脏可显著改善心肌功能恢复。此研究的最佳性能是采用Ca2+离子浓度。然而,看来使Ca2+离子浓度下降过低如至50μmοL/L,可能产生不良影响。
实施例3:
下一研究评价酸化低血钙氧合的心脏停搏组合物是否有潜在的增量效益。因此,此研究评价将示范性低血钙氧合的心脏停搏组合物pH从7.9调至7.4到6.9到6.4的影响。所述心脏停搏溶液包含心脏停搏溶液中的220μmοL/L Ca2+离子且所有再灌注在35℃完成(图18)。
将24头猪分成4组,随后遵循图19所示流程示意图根据标准方案和医学伦理学程序处死。完成各心脏获取后,各心脏立即装入Quest2心肌保护系统。获得自第一组猪的心脏用pH 7.9的示范性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物在开始再灌注过程前加温至35℃。获得自第二组猪的心脏用调至pH 7.4的示范性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物在开始再灌注过程前加温至35℃。获得自第三组猪的心脏用调至pH 6.9的示范性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物在开始再灌注过程前加温至35℃。获得自第四组猪的心脏用调至pH 6.4的示范性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物在开始再灌注过程前加温至35℃。
在3分钟初始再灌注期中连续监测主动脉灌注压力、冠状动脉流量和心肌温度并由2设备记录。血气样品在初始再灌注期的0、30、60、120和180秒测量以收集数据,尤其涉及02分压O2分压(PaO2)、CO2分压(PaCO2)、pH水平、电解质水平、乳酸盐水平出现的变化。
初始3分钟再灌注期结束后,从Quest2设备中移出各心脏并转移到离体心脏灌注(EVHP)设备,在该处其灌注有不断流动供应的血-STEEN溶液混合物(Hb 45g/L;XVIVO Perfusion Inc.,Englewood,CO,USA),其中其收缩功能恢复并维持Landorff模式,35℃常温下持续1小时。连续监测主动脉压和心率,并用软件处理。在EVHP设备中的血-STEEN溶液混合物灌注1小时的时候,各心脏从Langendorff模式转换到工作模式,这是通过使左心房压从0到8mmHg并以100bpm起搏心脏进行的。测量心输出量、冠脉血流量、主动脉根和冠状窦血气,用压力-容积环导管评估心功能。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式。
图20显示用适度酸化(即pH 6.4)的示范性低血钙氧合的心脏停搏组合物在35℃初始再灌注的心脏比用过碱(alkalotic)(即pH 7.9,7.4,6.9)的低血钙氧合的心脏停搏组合物再灌注的那些表现出更多的心肌水肿。
图21显示略微酸化的低血钙氧合的心脏停搏组合物(即pH 6.9)和略微过碱的低血钙氧合的心脏停搏组合物(即pH 7.4)中再灌注的心脏的心输出量(心脏重量指出的)显著优于调至pH 7.9或6.4的低血钙氧合的心脏停搏组合物中再灌注的心脏的心输出量。
图22显示略微酸化低血钙氧合的心脏停搏组合物(即pH 6.9)和略微过碱低血钙氧合的心脏停搏组合物(即pH 7.4)中再灌注的心脏在心缩期间的左心室收缩性(如dP/dtmax所测)显著优于调至pH 7.9或6.4的低血钙氧合的心脏停搏组合物中再灌注的心脏的左心室收缩性。
图23显示略微酸化的低血钙氧合的心脏停搏组合物(即pH 6.9)和略微过碱的低血钙氧合的心脏停搏组合物(即pH 7.4)中再灌注的心脏在心舒期间的左心室舒张性(如dP/dt min所测)显著优于调至pH 7.9或6.4的低血钙氧合的心脏停搏组合物中再灌注心脏的左心室舒张性。
此研究中收集的数据证明初始过碱的再灌注是有害的且显著过酸(acidosis)(如pH小于6.5)也有害。然而,看来适度过酸(如pH为6.6-6.9)有益。
实施例4:
第1部分:下一研究评价增加获得的供体再灌注持续时间是否有潜在的增量效益,所述在灌注采用轻度酸化的低血钙氧合的心脏停搏组合物。因此,此研究评价用示范性弱酸性(pH 6.9)低血钙(220μmοL/L Ca2+)氧合的心脏停搏液在35℃进行3分钟或9分钟再灌注的影响(图24)。用于此研究第1部分的心脏停搏液包含400μmοL/L腺苷和500μmοL/L利多卡因。
将12头猪分成2组,随后,遵循图25所示流程示意图根据标准方案和医学伦理学程序处死。完成各心脏获取后,各心脏立即装入Quest2心肌保护系统。获得自第一组猪的心脏用示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物在开始3分钟再灌注过程前加温至35℃。获得自第二组猪的心脏用示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注9分钟,所述组合物在开始再灌注过程前加温至35℃。
在3分钟初始再灌注期中连续监测主动脉灌注压力、冠状动脉流量和心肌温度并由2设备记录。血气样品在初始再灌注期的0、30、60、120和180秒测量以收集数据,尤其涉及02分压O2分压(PaO2)、CO2分压(PaCO2)、pH水平、电解质水平、乳酸盐水平出现的变化。
初始3分钟再灌注期或初始9分钟再灌注期结束后,从Quest2设备中移出各心脏并转移到离体心脏灌注(EVHP)设备,在该处其灌注有不断流动供应的血-STEEN溶液混合物(Hb 45g/L;XVIVO Perfusion Inc.,Englewood,CO,USA),其中其收缩功能恢复并维持Landorff模式,35℃常温下持续1小时、3小时和5小时。连续监测主动脉压和心率,并用软件处理。在EVHP设备中的血-STEEN溶液混合物灌注1小时的时候,各心脏从Langendorff模式转换到工作模式,这是通过使左心房压从0到8mmHg并以100bpm起搏心脏进行的。测量心输出量、冠脉血流量、主动脉根和冠状窦血气,用压力-容积环导管评估心功能。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式,再持续2小时,之后重复测量(即从再灌注移出后3小时)。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式,再持续2小时,之后重复测量(即从再灌注移出后5小时)。
图26显示用示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物初始再灌注9分钟的心脏表现出的心肌水肿多于仅再灌注3分钟的那些。
图27显示随着离体心脏灌注从1小时推进到3小时再到5小时,初始再灌注9分钟的心脏趋向功能恶化。
这些数据表明心脏停搏组合物可能包含一种或多种有毒成分。
第2部分:下一研究评价降低示范性轻度酸化低血钙氧合的心脏停搏组合物中利多卡因浓度的影响。因此,此研究评价用示范性弱酸性(pH 6.9)低血钙(220μmοL/L Ca2+)氧合的心脏停搏液在35℃进行3分钟或9分钟再灌注的影响,所述溶液包含400μmοL/L腺苷和50μmοL/L利多卡因(图28)。
将12头猪分成2组,随后,遵循图25所示流程示意图根据标准方案和医学伦理学程序处死。完成各心脏获取后,各心脏立即装入Quest2心肌保护系统。获得自第一组猪的心脏用示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注3分钟,所述组合物在开始3分钟再灌注过程前加温至35℃。获得自第二组猪的心脏用示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物灌注9分钟,所述组合物在开始再灌注过程前加温至35℃。
在3分钟初始再灌注期中连续监测主动脉灌注压力、冠状动脉流量和心肌温度并由2设备记录。血气样品在初始再灌注期的0、30、60、120和180秒测量以收集数据,尤其涉及02分压O2分压(PaO2)、CO2分压(PaCO2)、pH水平、电解质水平、乳酸盐水平出现的变化。
初始3分钟再灌注期或初始9分钟再灌注期结束后,从Quest2设备中移出各心脏并转移到离体心脏灌注(EVHP)设备,在该处其灌注有不断流动供应的血-STEEN溶液混合物(Hb 45g/L;XVIVO Perfusion Inc.,Englewood,CO,USA),其中其收缩功能恢复并维持Landorff模式,35℃常温下持续1小时、3小时和5小时。连续监测主动脉压和心率,并用软件处理。在EVHP设备中的血-STEEN溶液混合物灌注1小时的时候,各心脏从Langendorff模式转换到工作模式,这是通过使左心房压从0到8mmHg并以100bpm起搏心脏进行的。测量心输出量、冠脉血流量、主动脉根和冠状窦血气,用压力-容积环导管评估心功能。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式,再持续2小时,之后重复测量(即从再灌注移出后3小时)。这些测量完成后,各心脏立即返回Landorff模式,再持续2小时,之后重复测量(即从再灌注移出后5小时)。
图29显示在含400μmοL/L腺苷和50μmοL/L利多卡因的示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物中初始再灌注9分钟心脏中出现的心肌水肿相较于灌注3分钟心脏没有任何显著差异,。
图30显示在含400μmοL/L腺苷和500μmοL/L利多卡因的示范性弱酸性低血钙氧合的心脏停搏组合物中将初始再灌注期从3分钟延长到9分钟,对再灌注后灌注1小时、3小时、5小时的心脏功能恢复没有不良影响。
图31组合来自第1部分(图27)与第2部分(图30)的心肌功能数据,其中显然用于初始离体获得后再灌注的心脏停搏组合物中的500μmοL/L的利多卡因浓度有使供体心脏产生衰弱的影响。此数据也证明延长初始再灌注期超过3分钟不利于在获得的供体心脏中恢复稳态和心功能。
本文所示数据表明,在开始灌注前,用于初始离体再灌注供体心脏的心脏停搏液的合适组成如表1所示。
表1:
Claims (5)
1.一种心脏停搏组合物,包含:
300μmol/L-450μmol/L腺苷;
40μmol/L-90μmol/L利多卡因;
8.0mmol/L-12.5mmol/L葡萄糖;
120mmol/L-140mmol/L NaCl;
4.0mmol/L-7.0mmol/L KCL;
12.0mmol/L-16.0mmol/L NaHCO3;
0.9mmol/L-1.4mmol/L NaH2PO4;
0.18mmol/L-0.26mmol/L CaCl2;
11.0mmol/L-15.0mmol/L MgCl2;
7.5IU/L-12.5IU/L胰岛素;
100.0mmol/L-140.0mmol/L D-甘露醇;
0.75mmol/L-1.25mmol/L丙酮酸;和
2.5mmol/L-3.5mmol/L还原型谷胱甘肽,和
pH 6.6-6.9。
2.如权利要求1所述的心脏停搏组合物,包含:
400μmol/L腺苷;
50μmol/L利多卡因;
10.0mmol/L葡萄糖;
131.8mmol/L NaCl;
5.9mmol/L KCL;
14.0mmol/L NaHCO3;
1.2mmol/L NaH2PO4;
0.22mmol/L CaCl2;
13.0mmol/L MgCl2;
10.0IU/L胰岛素;
120.0mmol/L D-甘露醇;
1.0mmol/L丙酮酸;和
3.0mmol/L还原型谷胱甘肽。
3.如权利要求2所述的心脏停搏组合物,其中pH是6.9。
4.如权利要求1-3中任一项所述的心脏停搏组合物在制备用于获取后立即对供体心脏进行浸浴和再灌注的溶液中的用途,所述心脏停搏组合物在使用前氧合并加温至35℃。
5.如权利要求4所述的用途,其中所述加温的氧合的心脏停搏组合物用于在获取供体心脏的过程中对其进行浸浴。
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