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常温机械灌注:30年来供肝保存的最大突破

 REDPHARM

2018-11-06

经过多年发展,肝移植手术已经非常成熟,但是,还是有不少患者无法等到可以移植的肝脏,与之相对的是,捐献者的肝脏也有不少因无法及时找到接受者而白白丢弃。在英国,每年排队等候肝移植的患者死亡率达21%,而成功用于移植的供肝却只有63%。其中最大的问题在于,离体供肝难以长时间地保持生命力。

这一领域其实30年以来一直都没有太大进展,目前使用最多的仍然是“静态冷藏法(static cold storage,SCS)”,用冰和保存液在低温下保存肝脏,通过降低温度使肝细胞的新陈代谢减缓,以减少损伤。但静态冷藏法并不能让人满意,即使供体各种指标都很好,肝脏最多也只能保存12小时,如果供体质量稍差,保存时间还会更短。

此外,这种方法中,无法在移植手术前对肝脏状态进行测试和评估,医生只能凭经验判断。这种情况下,肝脏移植后有一定失败概率,有的肝脏在保存过程中便已经失活,只能丢弃。

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图1:静态冷藏法容易造成肝脏受损。图片来源:Nature

为了解决这一问题,有人想到了科幻电影里常见的“超低温保存(cryopreservation)”,即在超低温下(零下160至零下196摄氏度),生物样本被冷却至无冰的玻璃态,可以长久地保存下去。可问题没那么简单,这种方法的“死穴”在于如何让器官从超低温状态毫发无损地复苏。目前成功的例子要么是实验室中组织层面的尝试,要么是小体积的动物器官,还没有哪个研究团队将其成功用于人类器官的报道。

既然冷藏和超低温保存目前都走不通,能不能逆向思维一下?不用降低温度,在体外模拟体内的生理环境,会不会让肝脏“撑”更久?近些年,“常温机械灌注(normothermic machine perfusion,NMP)”逐渐引起了医生和科学家的关注。

常温灌注的发展也是由来已久,移植先驱者Alexis Carrel和Charles Lindbergh早在1935年就研究了使用含氧血清进行正常体温灌注的器官保存,并存活了数天。但是,由于NMP的技术难度,以及SCS和HMP的发展,NMP的研究逐渐暂停,但是随着近些年复杂的体外循环系统的发展以及对边缘供体的使用,NMP越来越受到移植界的重视。

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图2:常温机械灌注原理示意图。图片来源:Nature

与静态冷藏和超低温保存原理不同,NMP过程中,离体肝脏在正常体温下用含氧血液、药物和营养物质灌注以维持生理环境和细胞生理代谢。灌注液包含:氧载体(通常是红细胞)、营养成分、血管舒张剂;使用近生理状态的灌注压进行灌注;其优势在于:降低冷缺血及其所带来的负面影响;增加了器官的代谢活性;为移植前肾脏的评估以及修复提供可能。

细胞学、组织学研究以及动物实验都证明这一策略能更好地保存肝脏,但众所周知,很多在细胞和实验动物层面号称“重大突破”的生物医学发现,都过不了人体实验这一关。NMP的命运如何呢?2016年,英国牛津大学Peter Friend和Constantin Coussios等研究者进行了首次NMP后肝移植的一期临床试验,成功证明NMP的安全性和可行性。

最近,牛津大学的这些研究者与多国科学家合作,以常规的冷藏法为对照,进行了首个NMP在肝移植中功效的随机对照临床试验,并在Nature 上报道了振奋人心的实验结果——该方法可显著延长肝脏的保存时间并降低损伤,有希望用于挽救无数生命。

这次试验用的NMP装置被称为“Metra”,Metra由OrganOx公司生产,向肝脏提供含氧血液、抗凝药物和各种营养物质,并维持在正常生理温度37 ℃。同时,血液中的免疫细胞会被过滤移除,以免发生炎症。在这样的环境中,离体肝脏能够在较长时间内维持很好的状态。

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图3:Metra工作的原理图。图片来源:Nature

与传统保存在冰上的肝脏相比,Metra保存的肝脏中与器官损伤相关的酶的水平降低了50%,早期同种异体移植物功能障碍(一种严重并可能致命的移植并发症)的发生率仅为10%,而传统冷藏法发生率为30%。试验中的中位总体保存时间,Metra为11小时54分钟,要明显长于传统冷藏法的7小时45分钟。

Metra保存的肝脏因无法使用而被丢弃的比例也显著降低,仅为11.7%,而传统冷藏法为24.1%。此外,术后胆管并发症、器官存活率和患者生存率两种方法无显著差异,不过由于试验仅持续1年,患者的长期生存率差别还没有观察到。这些数据表明,Metra所代表的NMP策略,的确比传统的冷藏法要更加有效。

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图4:常温肝脏保存装置Metra。图片来源:Nature

常温机械灌注液需要充足的氧载体,以对整个器官输送氧气和调节生理渗透压。目前通常主要采用的是人血制品(包括红细胞)和新鲜冷冻血浆(FFP)作为灌注液。由于人类血液制品保存时间短,而且需要匹配血型,使用人类血液制品是比较昂贵的,而且运输也很复杂。血液制品还有稀缺性,以及传播血液传染病的风险。寻找能代替稀缺、昂贵和后勤复杂的人类血液制品的新型灌注液,是使NMP能得到更广泛应用的关键性一步。

因此,研究人员把目光转向了血红蛋白基氧载体(HBOC)。Sadowsky et al.和Fontes et al.进行亚常温灌注(21°C), 使用HBOC灌注液进行灌注并与SCS(静态冷藏法)比较,结果发现灌注组的炎症反应明显减少。 Laing et al.等的研究也证实:使用HBOC与RBC为基础的灌注液,血管血流参数和病理检查结果相当,而HBOC组释放更多的氧气,表明HBOC灌注液是可行的。

2017年欧洲器官移植大会(ESOT)上,来自哈佛医学院马萨诸塞州总医院的Prof. Fontan披露了一个典型的研究案例:采用一种不含人血制品的灌注液Hemopure1 (牛血红蛋白基氧载体)对9例被弃用的人体供肾进行NMP。

荷兰格罗宁根大学医学中心也于近期也进行了一项研究,将Hemopure用于供肝灌注,并检测其作为新型机械灌注液的效果(详情另文披露)。

1注:Hemopure由美国原Biopure公司研发,是血红蛋白氧载体类产品(HBOC)研发的代表性品种,也是同类产品中全球唯一曾获得临床上市许可的。润方生物科技有限公司目前已引进并优先发展该项技术,有望于未来几年开始作为灌注液用于国内供体器官的机械灌注。


原文出处:

A randomized trial of normothermic preservation in liver transplantation

Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0047-9