Методика проведения испытаний нового типа аппарата вспомогательного кровообращения на основе насоса вязкого трения.


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование: на сегодняшний день абсолютно доказана возможность эффективной коррекции полиорганной недостаточности и увеличения продолжительности жизни пациентов с критической сердечной недостаточностью при использовании устройств вспомогательного кровообращения. Разработка отечественных аналогов аппаратов вспомогательного кровообращения является актуальной проблемой на протяжении уже многих десятилетий. Создание данного аппарата требует разработки протокола проведения комплексных медико-биологических исследований биосовместимости и безопасности нового устройства.

Цель: разработка протокола апробации и проведения комплексных медико-биологических исследований биосовместимости нового устройства поддержки кровообращения в остром эксперименте на животных.

Методы: для разработки методики имплантации системы вспомогательного кровообращения (LVAD) в остром эксперименте в качестве модели были выбраны свиньи породы mini-pig, женского пола, вестом 40-60 кг. В серии острых экспериментов было выполнено 5 имплантаций дискового насоса в качестве LVAD с максимальным периодом наблюдения 6 часов.

Результаты: в ходе проведенной серии острых экспериментов была разработана методика имплантации и доказана принципиальная возможность использования насоса вязкого трения в качестве аппарата вспомогательного кровообращения. Во всех экспериментах (n=5) средний уровень свободного гемоглобина не превысил значение 2,6 мг/%, что доказывает безопасность механизма работы насоса вязкого трения по отношению к эритроцитам крови. Ни в одном эксперименте не было зафиксировано эпизодов остановки или поломки насоса.

Заключение: таким образом, в ходе проведенной серии острых экспериментов на свиньях породы mini-pig был выявлен целый ряд анатомо-физиологических особенностей данного вида животных, значительно усложняющих выполнение хронического наблюдения. Однако, разработанная методика экспериментального испытания LVAD может быть рекомендована к использованию в дальнейших хронических экспериментах на крупных лабораторных животных (телята).

Полный текст

Обоснование

За прошедшее десятилетие применение аппаратов вспомогательного кровообращения в клинической практике значительно возросло [1-3]. По данным литературы к 2014 году около половины трансплантаций сердца в мире были выполнены на фоне раннее имплантированного аппарата поддержки кровообращения (LVAD) [4]. При этом за последние годы резко возросла потребность в LVAD, так как увеличилось число пациентов, которым аппарат механической поддержки кровообращения был имплантирован в качестве окончательного метода лечения терминальной стадии хронической сердечной недостаточности [5].  Высокая стоимость зарубежных аппаратов вспомогательного кровообращения резко ограничивает их применение, поэтому, отечественные исследования в области разработки и внедрения систем поддержки кровообращения являются наиболее актуальными и востребованными [6]. Внедрение подобных изделий в клиническую практику требует проведение полного комплекса изучения всех характеристик и качеств устройства. С этой целью на базе НМИЦ им.ак. Мешалкина была проведена серия экспериментов на крупных лабораторных животных и разработан протокол испытаний аппарата вспомогательного кровообращения на базе насоса вязкого трения.

Цель

Целью данного исследования стала разработка протокола имплантации и проведения комплексных медико-биологических исследований биосовместимости нового устройства поддержки кровообращения в остром эксперименте на животных.

Методы

Для разработки методики имплантации системы вспомогательного кровообращения (LVAD) в остром эксперименте в качестве модели были выбраны свиньи породы mini-pig, женского пола, вестом 40-60 кг. Уход за животными, обеспечение эксперимента, наблюдение и вывод животных из него выполняли в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (Страсбург, 18.03.1986). Для имплантации LVAD была выбрана паракорпоральная схема имплантации насоса, поскольку данная схема позволила значительно упростить процесс послеоперационного наблюдения за устройством, хотя и создавала большую угрозу для жизни животного по сравнению с инкорпоральной схемой имплантации. Данные предварительного математического моделирования потока по паракорпоральной петле с учетом форм и длин приводящей и отводящей магистралей доказали физиологичность (ламинарность) потока крови, при этом не оказывая влияния на гемодинамику в испытуемом аппарате механической поддержки кровообращения (Рис.1).

 

Всех животных накануне эксперимента лишали приема пищи, при этом доступ к воде не ограничивали. Премедикацию проводили в виварии внутримышечным введением раствора атропина и золетила в дозе согласно весо-ростовым параметрам. Когда животное засыпало, подготавливали операционное поле. Эксперимент проводили в условиях эндотрахеального наркоза севофлюраном и миорелаксации (пипекурония бромид).

 

Во время экспериментов проводился мониторинг; инвазивного артериального давления (иАД) путем катетеризации левой сонной артерии, центрального венозного давления (ЦВД) путем катетеризации левой яремной вены, нарушений ритма сердца (электрокардиография), температуры тела, газового состава крови, активированного время свертываемости (АСТ), гемодинамических параметров работы сердца (ЧПЭХОКГ, катетер Сван-Ганца). С целью коррекции гиповолемических нарушений проводили инфузионную терапию кристаллоидными и коллоидными растворами. Параметры жизнедеятельности фиксировали с помощью монитора типа IntelliVueMP70 (Philips). Перед каждым экспериментом все составные части аппарата поддержки кровообращения стерилизовали оксидом этилена. Затем, на стерильном столе к входному и выходному патрубкам насоса фиксировали магистрали ½ дюйма. После этого производили заправку насоса физиологическим раствором на малых оборотах (500-1000 об/мин), проводя тщательное удаление воздушных эмболов. В серии острых экспериментов было выполнено 5 имплантаций дискового насоса в качестве LVAD с максимальным периодом наблюдения 6 часов.

Результаты

В первых трех экспериментах дисковый насос подключали по схеме «верхушка левого желудочка – нисходящий отдел грудной аорты». Животных укладывали на правый бок. Выполняли переднебоковую торакотомию в VI межреберье слева с частичной резекцией VI ребра. Магистрали LVAD проводили через сформированные подкожные каналы паравертебрально. После системной гепаринизации (2 мг/кг) и боковом отжатии грудной аорты формировали анастомоз по типу «конец в бок» между дакроновым сосудистым протезом Intergard 14 мм и нисходящей грудной аортой нитью 5/0. Отточную магистраль соединяли с выходным патрубком насоса. Имплантацию приточной канюли проводили на работающем сердце через безсосудистую зону верхушки левого желудочка. Приточную магистраль соединяли с соответствующим патрубком насоса.

 

После тщательного удаления воздуха из всех патрубков производили постепенное включение насоса и выход на расчетную производительность (5-5,5 л/мин). Этап включения дискового насоса в систему кровообращения производили под контролем ЧПЭХОКГ, контролируя наличие незначительного выброса через аортальный клапан и сглаживание пиков кривой артериального давления на мониторе.

 

В первом эксперименте в связи с выраженной потерей крови на этапе имплантации приточной канюли в полость левого желудочка, учитывая небольшую массу тела экспериментального животного (40 кг) в раннем послеоперационном периоде наблюдалась выраженная анемия (Hb – 50-60г/л). Кроме того, основной причиной, не позволяющей выйти насосу на расчетную производительность (5,5-6 л/мин) было «схлопывание» полости левого желудочка и нарушение притока крови в насос, несмотря на оптимальное позиционирование канюли в полости левого желудочка (по данным ЧПЭХОКГ) и достаточную волемическую нагрузку животного (ДЗЛК 12-15 мм.рт.ст.). Однако, в течении 4 часов LVAD обеспечивал адекватную системную перфузию (4-4,5 л/мин) в условиях сохраняющего выброса правого желудочка (Рис.2). Данные газового состава крови и другие параметры гемодинамики приведены в таблице 1. 

 

В эксперименте № 2 схема имплантации была той же, однако было использовано животное большей массы тела (67 кг).  При этом удалось развить производительность дискового насоса до 5,0-5,5 л/мин и обеспечить адекватную перфузию тела животного в течении 3 часов. Параметры газового состава крови так же были в пределах референтных значений.  Однако, через 3 часа перфузии на фоне пробуждения животного в станке развилась устойчивая фибрилляция желудочков, потеря выброса правого желудочка и как следствие дефицит притока в насос. Командой исследователей было принято решение о прекращении эксперимента.

 

Имплантацию LVAD в эксперименте № 3 проводили в условиях искусственного кровообращения, для этого были канюлированы правая общая сонная артерия и правая наружная яремная вена. Условия искусственного кровообращения позволили качественно визуализировать и сформировать вентрикулотомическое отверстие и максимально правильно позиционировать приточную канюлю в полости левого желудочка (Рис.3). Однако в момент остановки искусственного кровообращения и передачи функции левого желудочка LVAD развилась устойчивая фибрилляция желудочка, восстановить которую не удалось.

 

С проведением каждого последующего эксперимента становилось очевидным необходимость в разработке наиболее простой и малоинвазивной схемы подключения LVAD. В экспериментах № 4 и № 5 нами в качестве приточной канюли была использована двухэтапная венозная канюля уплощенной формы (для лучшего моделирования в грудной клетке) Medtronic 29/37 Fr. Приточная канюля заранее проводилась через грудную стенку и после наложения кисетного шва на ушко левого предсердия имплантировалась в полость левого предсердия по направлению к устьям правых легочных вен (Рис. 4). Данная техника имплантации приточной канюли позволила практически бескровно обеспечить достаточный приток в насос и избежать анемии в послеоперационном периоде. В двух последних экспериментах животные были успешно экстубированы в раннем послеоперационном периоде, LVAD обеспечивал адекватный системный поток (5,0-5,5 л/мин) в течении 6 часов. Во всех экспериментах перед имплантацией внутривенно вводился гепарин в дозе 2 мг/кг и затем инфузионно для поддержания АСТ на уровне 250-300 сек.

Обсуждение

В ходе проведенной серии острых экспериментов была разработана подробная методика имплантации нового типа аппарата вспомогательного кровообращения и доказана принципиальная возможность использования насоса вязкого трения в качестве основного механизма. Во всех экспериментах (n=5) средний уровень свободного гемоглобина не превысил значение 2,6 мг/%, что доказывает безопасность механизма работы насоса вязкого трения по отношению к эритроцитам крови.

 

Однако, целый ряд анатомо-физиологических недостатков свиней (mini-pig) привел к отказу использования этого вида животных в хронических экспериментах. Ни в одном эксперименте не было зафиксировано эпизодов остановки или поломки насоса. Все возникшие трудности в ходе испытаний разрабатываемого аппарата поддержки кровообращения на основе насоса вязкого трения были связаны с топо-морфологическими особенностями экспериментальной модели. У всех животных определялась выраженная гипертрофия стенок (>2,5мм) и маленькая полость левого желудочка (конечно-диастолический объем менее 40 мл), что способствовало закупорки приточной канюли даже при адекватном позиционировании ее в полости левого желудочка (в случае подключения по схеме «верхушка левого желудочка – нисходящая аорта).

 

Разработанная опытным путем и подтвержденная методами математического моделирования потока схема подключения «ушко левого предсердия – нисходящая грудная аорта) с использованием двухэтапной армированной венозной канюли позволила максимально ускорить и упростить процедуру экспериментального подключения LVAD, исключив необходимость применения аппарата искусственного кровообращения.

 

Значимым наблюдением стал тот факт, что нанесение a-C:H:SiOx покрытия, полученного с использованием импульсного биполярного напряжения смещения при плазмохимическом осаждении на внутренние поверхности и движущиеся части ротора значительно повысило биосовместимость устройства, при ранее доказанном влиянии на снижение уровня гемолиза [7].  Так, в первых моделях насоса, в отсутствии данного покрытия каждый раз после эксплантации обнаруживались множественные тромботические массы, особенно в основании насоса (вокруг оси пакета дисков). После нанесения a-C:H:SiOx пленки  ни в одним случае не было обнаружено  сгустков крови на поверхностях движущихся частей насоса. Значимость подобной доработки неоднократно освещалась в работах других исследователей, посвященных созданию биосовместимых покрытий [8, 9].

Заключение

Таким образом, в ходе проведения сери острых экспериментов на животных были получены важнейшие знания о преимуществах и недостатках различных способов экспериментальной имплантации устройств вспомогательного кровообращения, разработан оптимальный протокол испытаний LVAD. Так же был обоснована необходимость перехода к новой модели (телята) в серии хронических экспериментов. Разработанный протокол имплантации и послеоперационного наблюдения может быть рекомендована к использованию в дальнейших хронических экспериментах на крупных лабораторных животных (телята).

×

Об авторах

Максим Олегович Жульков

Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н.Мешалкина

Автор, ответственный за переписку.
Email: maks.zhulkov.92@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7976-596X

стажер-исследователь центра хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н.Мешалкина

Россия, Новосибирск, Россия

Александр Михайлович Головин

Научно-производственная компания «ИМПУЛЬС-проект»

Email: olovina@imp-project.ru
ORCID iD: 0000-0001-9302-7613

директор акционерного общества Научно-производственной компании «ИМПУЛЬС-проект»

Россия, Новосибирск, Россия

Александр Сергеевич Гренадеров

Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук

Email: 1711Sasha@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6013-0200

к.т.н., научный сотрудник лаборатории прикладной электроники Института сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук

Россия, Новосибирск, Россия

Виталий Русланович Цирихов

Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н.Мешалкина

Email: Tsirikhov57@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3459-8795

аспирант центра хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н.Мешалкина

Россия, Новосибирск, Россия

Азат Керинбекович Сабетов

Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н.Мешалкина

Email: Chelsea.bostery@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8956-6585

аспирант центра хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н.Мешалкина

Россия, Новосибирск, Россия

Хава Абдуллаевна Агаева

Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н.Мешалкина

Email: nohchiborz2295@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1648-1529

клинический ординатор центра хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н.Мешалкина

Россия, Новосибирск, Россия

Сергей Анатольевич Альсов

Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н.Мешалкина

Email: s_alsov@meshalkin.ru
ORCID iD: 0000-0002-3427-8137

д.м.н., хирург центра хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н.Мешалкина

Россия, Новосибирск, Россия

Александр Михайлович Чернявский

Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н.Мешалкина

Email: amchern@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9818-8678

д.м.н., профессор, руководитель центра хирургии аорты, коронарных и периферических артерий Национального медицинского исследовательского центра имени академика Е.Н.Мешалкина

Россия, Новосибирск, Россия

Список литературы

  1. 1. Халилулин Т. А. и др. Особенности имплантации системы поддержки насосной функции сердца АВК-Н в качестве «моста» к трансплантации сердца. //Вестник трансплантологии и искусственных органов. – 2018. – Т. 20. – №. 1. – С. 13-22. Halilulin T. A. i dr. Osobennosti implantacii sistemy podderzhki nasosnoj funkcii serdca AVK-N v kachestve «mosta» k transplantacii serdca. //Vestnik transplantologii i iskusstvennyh organov. – 2018. – T. 20. – №. 1. – S. 13-22.
  2. 2. Чернявский, А. М., Рузматов, Т. М., Фомичев, А. В., Медведев, А. Е., Приходько, Ю. М., Фомин, В. М., Караськов, А. М. Экспериментальная оценка устройства механической поддержки сердца на основе дискового насоса вязкого трения //Вестник трансплантологии и искусственных органов. – 2017. – Т. 19. – №. 1. – С. 28-34.
  3. 3. Apel, J., Paul, R., Klaus, S., Siess, T., & Reul, H. Assessment of hemolysis related quantities in a microaxial blood pump by computational fluid dynamics //Artificial Organs. – 2001. – Т. 25. – №. 5. – С. 341-347.
  4. 4. Колоскова Н.Н. Терминальная сердечная недостаточность. Отбор пациентов для постановки в «лист ожидания» на трансплантацию сердца/14.01.05.- кардиология//14.01. 26.-сердечно-сосудистая хирургия //Москва. – 2011. Koloskova N.N. Terminal'naya serdechnaya nedostatochnost'. Otbor pacientov dlya postanovki v «list ozhidaniya» na transplantaciyu serdca/14.01.05.- kardiologiya//14.01. 26.-serdechno-sosudistaya hirurgiya //Moskva. – 2011.
  5. 5. LundL. H. etal. The registry of the International Society for Heart and Lung Transplantation: thirty-third adult heart transplantation report—2016; focus theme: primary diagnostic indications for transplant //The Journal of Heart and Lung Transplantation. – 2016. – Т. 35. – №. 10. – С. 1158-1169.
  6. 6. Чернявский А. М. и др. Перспективы использования дискового насоса для механической поддержки кровообращения в кардиохирургической практике. (Обзорная статья)//Вестник трансплантологии и искусственных органов. – 2016. – Т. 18. – №. 3. – С. 68-73.
  7. 7. Grenadyorov A. S. et al. Modifying the surface of a titanium alloy with an electron beam and aC: H: SiOx coating deposition to reduce hemolysis in cardiac assist devices //Surface and Coatings Technology. – 2020. – Т. 381. – С. 125113.
  8. 8. Love, C. A., Cook, R. B., Harvey, T. J., Dearnley, P. A., & Wood, R. J. K. , Diamond like carboncoatings for potential application in biological implants — a review, Tribol. Int. 63(2013) 141–150.
  9. 9. Kwok S. C. H., Wang J., Chu P. K. Surface energy, wettability, and blood compatibility phosphorus doped diamond-like carbon films //Diamond and Related Materials. – 2005. – Т. 14. – №. 1. – С. 78-85.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Жульков М.О., Головин А.М., Гренадеров А.С., Цирихов В.Р., Сабетов А.К., Агаева Х.А., Альсов С.А., Чернявский А.М., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах