心脏移植供心保护研究进展
华中科技大学同济医学院附属协和医院心脏大血管外科，武汉 430022
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国家二级教授 主任医师 博士生导师
华中科技大学同济医学院附属协和医院心脏大血管外科主任，器官移植中心主任，心研所所长
中国医师协会心血管外科分会会长，中华医学会胸心血管外科分会副主任委员
国家心血管疾病医疗质量控制中心专家委员会副主任委员，国家心脏移植技术医疗质量控制中心专家委员会副主任委员
亚洲胸心外科学会（ASCVTS）常务理事，美国胸心血管外科学会（AATS）、国际微创胸心外科学会（ISMICS）会员
主持国家级重大／重点项目12项，发表论文400余篇，申请/授权国家发明专利36项，主编/主审专著9部
以第一完成人获国家科技进步二等奖1项，省部科技进步特等奖1项/一等奖5项
【摘 要】 供心保护技术被应用于供心获取、转运乃至移植后的各个阶段。科学先进的供心保护方法对于扩大供心来源，改善心脏移植预后至关重要。静态冷保存（static cold storage，SCS）作为经典的供心保存技术，在短时供心转运条件下经济可靠，但随着保存时间增加，会造成严重的冷缺血损伤，并且无法及时监测和干预供心状态。近年来，一些新的供体心脏保存方法已经进入临床实践，包括静态控温系统、常温机械灌注系统和低温机械灌注系统。这些技术能有效扩大供心来源，延长供心转运时间，同时改善心脏移植远期预后。本文将结合华中科技大学同济医学院附属协和医院供心保护经验就供心保护技术的研究进展进行总结与探讨，为心脏移植供心保护提供理论依据。心脏移植是终末期心脏病患者最有效的外科治疗手段。供体心脏质量与心脏移植中远期预后密切相关。目前，使用心肌保护液对遗体器官捐献的心脏进行静态冷保存（static cold storage，SCS）仍然是国际供心保护的首选方法[1]。SCS结合了心脏停搏和低温，可以降低供体心脏的能量代谢水平。然而，在静态冷保存过程中，供体器官会经历低温诱导的冷冻损伤和时间依赖性的缺血损伤。这可能是导致原发性移植物功能不全（primary graft dysfunction，PGD）的重要原因[2]。在过去的十年里，世界范围内多个团队开发出新型的供心保护技术。其中，以SherpaPak为代表的静态控温系统和以Organ Care System（OCS）为代表的常温机械灌注系统已获取美国食品和药物管理局批准，进入临床应用阶段[3]。SherpaPak以更稳定精确的静态冷保存方法和温度监测系统，改良了传统的SCS[4]。而OCS则采用颠覆性的常温机械灌注技术，使供心以搏动的状态进行转运，并提供多指标监测和药物干预[5]。这两种技术在长时间冷保存（>4 h）和边缘供心的修复利用方面展现出独特的优势。此外，针对供心冷缺血损伤的机制探究，对传统供心保护液的改进以及对供心获取转运程序的改良也取得进展。本文拟结合华中科技大学同济医学院附属协和医院的供心保护经验就供心保护技术的研究进展进行总结与探讨。供体心脏的获取速度与移植物的质量直接相关。Martin等[6]发现，当心脏缺血并开始降温时，心脏会处于至少几分钟的“热缺血”中。在热缺血期间，三磷酸腺苷/二磷酸腺苷比率急剧下降，同时导致再灌注损伤的琥珀酸盐快速累积。最近的研究表明，从供者收缩压降至50 mmHg以下的那一刻起，就应该计算心脏热缺血时间，直到冷保存前器官保护液灌洗[7]。因此，在熟练进行供心获取操作的前提下，实现供心的快速降温和停搏尤为关键。相比于采用黏稠的UW液（University of Wisconsin solution）和HTK液（Histidine⁃Tryptophan⁃Ketoglutarate solution，Custodiol）诱导供心停搏，改良的圣托马斯晶体液可能更快速地浸润心肌组织，从而快速实现供心的降温和停搏。HTK液、Celsior液和UW液为临床最常用到的保护液，均通过细胞外高钾诱导舒张性心脏停搏。一项大样本回顾性研究表明，在21 908例心脏移植的保护液使用中，有10 549例（48%）使用UW液，5 081例（23%）使用Celsior液，2 422例（11%）使用HTK液，1 307例（6%）使用晶体停搏液，2 549例（12%）使用生理盐水。该研究证明，UW液和HTK液的近远期结局无差异，但短期结局优于生理盐水和Celsior液[8]。目前，没有一种保护液被证明有完全的优越性。在心肺联合移植器官获取的过程中，心脏的保护方法与单纯心脏移植供心保护基本相同，均为UW或HTK液灌注后以三袋法冷保存。而供肺的灌注液则为UW液、棉子糖低钾右旋糖酐液（Raffinose⁃Low Potassium Dextran solution，RLPD液）等，在灌注前于肺动脉主干内注射前列腺素E1以扩张肺血管，促进肺保护液均匀分布，同时减轻炎症反应[9]。自1967年首次成功进行人类心脏移植以来，在获取供心后立即在4![]()
下静态冷保存直至植入受者体内一直是最经典的转运技术。低温转运供心的目的是通过减缓缺血期间细胞内外生化过程来稳定生物组织，从而延长安全储存时间。目前静态冷保存的标准方法为三袋法：将离体供心浸泡于含有1 L冷保存液的内层无菌袋中；随后将这个袋子嵌套入含有冷保存液的中层和外层袋子中，并储存在装满冰沙的硬质无菌容器中；最后将容器置入装有冰块的器官转运箱中[1]。对于非边缘供心的转运，传统静态冷保存方法效果经济可靠。即使在新型转运技术层出不穷的今天，静态冷保存依然是应用最广泛的转运技术。然而，静态冷保存具有其局限性。（1）安全冷缺血时间较短：低温并不能完全抑制组织内部的代谢过程，随着冷缺血时间延长，有毒代谢产物积累，能量物质耗竭，组织损伤加重。当移植物缺血时间![]()
6 h时，心脏移植的结果并不理想。相关研究表明，供体心脏缺血时间每增加1 h，移植后第1年的死亡风险就会增加25%[10]；（2）降温不均匀及冻伤：供体心脏局部的过度快速降温，特别是低于2 ℃，会增加冷诱导移植物损伤的风险[11]；（3）缺乏监测和干预手段：在转运过程中，既无法实时监测供心温度及生化指标，也无法及时补充能量物质、清除有毒代谢产物和添加干预药物。对静态冷保存的改进研究自从始至终均为心脏移植供心保护的重点和热点，主要包括改进保护液成分、探索冷缺血心肌损伤评估标准和改进静态冷保存的相关步骤。目前对保护液成分的改进研究主要针对供心长期冷缺血损伤的某个靶点或某种机制，在经典保护液（如UW液、HTK液）的基础上改变基础成分的用量或添加药物，从而达到减轻实验性供心冷缺血损伤的效果。Wu等[12]开发了基于HTK溶液的新型保存解决方案，例如通过用N⁃乙酰组氨酸部分替代组氨酸来降低组氨酸的毒性，通过添加甘氨酸和丙氨酸抑制钠流入，添加一氧化氮（NO）合酶底物（精氨酸），提供额外的能量底物（天冬氨酸），并添加铁螯合剂（去铁胺和LK614）以阻断铁依赖性活性氧介导的细胞损伤。该研究通过对比不同HTK液改进方案对小鼠供心的保护效果，证明高氯和添加铁螯合物的HTK液可有效提高存活率，降低移植后心肌酶水平。2022年的一项研究在犬模型中证实添加铁螯合剂可有效防止心肌和血管内皮损伤[13]。此外，在啮齿动物离体心脏冷保存模型中使用添加小分子化合物或天然植物提取物的供心保护液也可减轻离体心脏的冷保存过程中的损伤[14⁃17]。值得注意的是，通过人工氧载体预充氧（如生物修饰的全氟化碳）增加保护液中的氧含量可能对减轻供心冷缺血损伤有显著作用[18]。虽然这些新方案理论上在供心保护方面具有更多优势，但这些方案的应用仅处于动物试验阶段，需要更多的临床证据支持。移植前有效评估静态冷保存供心的质量有助于术者采取干预措施预防不良事件的发生。然而，目前临床上对冷保存后供体心脏的评估主要依靠术者的主观视觉和触觉评价，缺乏客观的量化指标[2]。供心冷缺血损伤有别于在体心脏缺血损伤的特征为低温条件和离体状态，故在体心脏心肌损伤程度的检测方法不能完全适用于静态冷保存供心。因此，研究人员致力于阐明供心静态冷保存期间的多维度变化，并由此探索供心冷缺血损伤的评估标准。2019年，英国剑桥大学的研究团队通过比较人、猪、小鼠离体心脏热缺血和冷缺血代谢组学差异，发现琥珀酸的累积是供心获取和转运阶段的主要代谢特征[6]。在转录层面上，Lei等[19]通过对比人废弃供心左右心室静态冷保存0、4、8 h的转录组差异，发现左心室炎症和免疫排斥相关基因激活，而氧化磷酸化和脂肪酸代谢相关基因下调。相比之下，炎症相关基因在右室中下调，而氧化磷酸化基因被激活。这些转录组学变化在冷保存8 h时最显著。除分子生物学方法以外，超声成像设备也被尝试用于评估移植供心的质量。法国团队利用超声剪切波弹性成像技术（SWE）通过超声弹性成像设备（Aixplorer，Supersonics Imagin）检测离体猪心的剪切波速度（SWV）从而反映供心的组织硬度。该研究表明，组织硬度在保存4 h内不变，而在4~20 h之间显著增加，这与临床供心的安全转运时间一致。同时组织硬度与再灌注后的心功能和心肌损伤标志物水平密切相关[20]。迄今为止，上述冷缺血损伤评估标准的研究均处于基础实验阶段，尚无相关的临床研究报道。这可能与相关研究指标在临床中并非常规检测，因而缺乏回顾性研究数据有关。供体心脏的昼夜节律被证明影响心脏移植的长期生存。华中科技大学同济医学院附属协和医院的一项单中心研究纳入390例心脏移植数据，根据供心获取时间将病例分为昼夜节律激活组（中午12点至深夜12点）和昼夜节律抑制组（深夜12点至中午12点）。昼夜节律激活组被证明会降低心脏移植后的长期存活率。这提示以静态冷保存方式获取供心时，应考虑昼夜节律的影响，以最大限度地提高移植物的耐久性[21]。华中科技大学同济医学院附属协和医院采用的心肌保护策略，包括用改良的圣托马斯液快速诱导心脏停搏，用组氨酸⁃酮戊二酸⁃色氨酸（HTK）溶液灌注，分层冰晶保存以避免心脏冻伤，对于长冷缺血保存的供心，返回手术室供体心脏修剪后再次用HTK溶液灌注从而满足移植术中的供心能量需求，该方案可有效延长冷缺血的安全时限[22]。低温储存系统（Hypothermic Storage System）以Paragonix公司推出的Paragonix SherpaPak心脏转运系统（SherpaPak⁃CTS）为代表。该系统由温度探头、心脏连接器、嵌套罐系统、低温模块、刚性外壳以及数据传输模块组成。供心悬挂于嵌套罐内的心肌保护液中，从而避免供心的机械损伤和局部过冷损伤。低温模块可将系统内温度均匀维持在4~8 ℃长达12 h。同时，温度探头和数据传输模块将供心温度实时传输至转运者移动设备端，实现对供心温度的精确监测[3]。SherpaPak⁃CTS是唯一获得美国食品和药物管理局批准并获得CE标志的商用静态低温心脏转运设备。2020年Naito等[23]首次报道了SherpaPak⁃CTS用于人供心转运的临床应用。在整个运输过程中，供体心脏温度保持在（5.51±0.46） ℃，转运系统运输时间为205 min，总缺血时间为312 min。供心受者为65岁男性，于术后7 h拔管，术后17 d出院，并在随访中反映良好。GUARDIAN⁃Heart是一个国际性、多中心、评估SherpaPak和静态冷保存心脏移植结局的数据库。2023年Shudo等[24]采用2015年至2022年GUARDIAN⁃Heart数据库中255例SherpaPak使用者和314例静态冷保存使用者的数据进行倾向性匹配和>240 min缺血时间的亚组分析以比较结局。总体而言，SherpaPak⁃CTS队列的严重PGD的发生率降低（P=0.03）。当倾向性匹配时，SCTS的1年存活率有所提高（P=0.10），严重PGD的发生率降低（P=0.011），移植后机械循环支持（MCS）的总体使用率较低（P=0.098）。对于缺血时间>4 h的受者，SherpaPak⁃CTS降低了移植后MCS的使用率（P=0.01），降低了重度PGD的发生率（P=0.005），并提高了30 d存活率（P=0.02）。该研究提示，相比于传统静态冷保存转运方式，使用SherpaPak⁃CTS可以有效降低不良事件的发生率。相比于传统供心静态冷保存转运方式，静态控温系统具有均匀冷却供心，实时监测温度，防止局部物理和低温损伤的优点。然而，由于SherpaPak上市时间尚短，仍存在以下问题：（1）仅有回顾性研究证明其术后结局与静态冷保存相仿，尚无相关的前瞻性研究佐证其效果；（2）适用标准不统一，在各中心研究中，SherpaPak和静态冷保存的适用标准并不一致，在同一中心的不同时间SherpaPak的适用范围也有差别。如2019年至2021年期间，Mayo Clinic Hospital将SherpaPak⁃CTS的适用标准从预计转运时间大于2 h的供心拓展到几乎所有供心[4]。适用标准的变化可能对研究结果造成影响；（3）成本相较于传统冷保存方式高约17 000美元[25]。此外，由于多种因素影响，我国尚无SherpaPak⁃CTS及类似静态控温系统的临床应用。因此，开发符合我国国情的供心静态控温转运系统，推动相关专利的临床转化势在必行。在常温机械灌注（normothermic machine perfusion，NMP）的持续灌注下，跳动的供体心脏与在体生理状态相似，可能将安全保存期延长至12 h，可以避免低温停跳带来的缺血损伤[5]。目前，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）已批准器官护理系统（Organ Care System，OCS）心脏系统用于常温体外灌注和保存供体心脏。该设备由便携式控制台、一次性灌注模块、心脏溶液和监护仪组成。在诱导心脏停搏和检查供体心脏后，术者将灌注系统连接供体的主动脉和肺动脉并泵入氧合、温热、营养丰富的供者血液，从而实现冠状动脉灌注。在心脏再灌注的过程中，可实时通过监护仪观察主动脉压、冠状动脉流速、温度、氧饱和度和血细胞比容等指标，也可进行乳酸水平的检测，营养物质的补充和药物的干预[26⁃28]。Proceed II（OCS保存供心后移植的随机对照研究）是一项随机、多中心临床试验，在130例受试者中比较了OCS与传统SCS的心脏移植结果。其中有67例受试者被随机分到OCS组。试验结果表明，两组的30 d存活率差异无统计学意义（94% OCS比97% SCS；P<0.45），且心脏移植相关不良事件发生率差异无统计学意义[29]。EXPAND试验是一项针对扩大标准供体（extended criteria donor，ECD）的前瞻性、多中心、单臂研究。该研究利用OCS修复并评估ECD心脏，将通过评估的心脏用于心脏移植[30]。在该实验中，86%（116/134）ECD心脏成功移植，这对提高供体心脏利用率有着重要意义。91.4%（106/116）受者达到了移植后30 d存活和免于PGD发生。12个月存活率为89%，24个月存活率为85%，与标准心脏移植的存活率相当。与传统SCS或SherpaPak相比，OCS的优势如下：（1）使心脏处于常温富氧的供体血液环境中搏动，减轻低温缺血缺氧造成的心肌损伤；（2）可提供多项生理指标动态评价供心质量；（3）允许医务人员添加药物和营养物质，用以改善供心功能；（4）可用于修复边缘供心，扩大供心来源。然而，心脏在常温搏动的状态下，代谢水平远高于低温静态保存的心脏。有害代谢产物的累积可能对供心造成潜在的损伤。乳酸是否能准确评价灌注心脏的质量仍存在较大争议。此外，每次使用OCS成本约增加40 000美元，使用该设备对受者造成的经济负担也不可忽视。因此，FDA不建议OCS常规应用于可使用SCS方法保存转运的非边缘供心。低温机械灌注（hypothermic machine perfusion，HMP）是一种通过冠状动脉连续低流量输注4~8 ℃保护液的技术。该方式在均匀冷却心脏的同时，还为心肌组织持续更新富含营养物质的携氧保护液，从而减轻缺氧和有毒代谢产物的累积造成的心肌损伤。Cobert等[31]采用UW液对人废弃供心进行静态冷保存、低温顺行灌注和低温逆行灌注，发现灌注心脏的乳酸/丙酮酸比率更低，高能磷酸盐在两个灌注组中的水平更高，但灌注心脏的组织水肿更为严重。Nilsson等[32]使用含有激素和红细胞的晶体停搏液在8 ℃下以20 mmHg的灌注压力保存了6个心脏，并将这6例HMP移植与同期的25例SCS移植进行了比较。结果显示，HMP组的总保存时间更长，6个月存活率为100%，而SCS组存活率为72%。低温机械灌注理论上相比于NMP的安全性更高，在灌注停转的情况下，该方式仍可作为静态冷保存转运供心。目前HMP系统有瑞典的Steen Heart Preservation System，美国的LifeCradle Heart Perfusion System，HeartPort System和Paragonix Sherpa Perfusion™ Cardiac Transport System等。这些低温灌注设备多处于临床前研究阶段，或近年刚获批入市，未来，HMP的实用性和优越性还需要更多的前瞻性随机对照临床试验验证。总之，在供心严重短缺的背景下，于供心获取转运的各个环节采取有效的供心保护措施至关重要。目前，多种新型供心保存技术已进入临床实践，包括静态控温系统、NMP和HMP。相比于传统静态冷保存转运，这些方法在长冷缺血时间的供心转运和修复边缘供心方面表现出更大的潜力，但其有效性、安全性仍需多中心前瞻性随机对照临床试验验证。同时，新型供心保存技术相关设备的安全性问题和高额成本问题亟待解决。未来，有必要进一步研究供心保存中心脏损伤的生物学机制，开发靶向治疗方法，并结合新型供心保存技术以扩大供心来源，延长供心转运时间，让心脏移植受者获得满意的中长期预后。董念国,王子豪,王怡轩. 心脏移植供心保护研究进展[J]. 中华器官移植杂志,2024,45(08)：537-542.DOI:10.3760/cma.j.cn421203-20231230-00206.
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