Введение

Машинная перфузия (МП) – это метод, используемый в трансплантологии для сохранения органов, предназначенных для пересадки. Машинная перфузия имеет различные варианты и может классифицироваться по температуре перфузата: холодная (4 °C) и теплая (37 °C). Машинная перфузия применяется при трансплантации почек, печени и легких, являясь альтернативой статическому холодовому хранению (СХС).

Исследования и разработки

В 2022 году был зарегистрирован рекордный срок сохранения трансплантированного органа – печени – с использованием машинной перфузии в течение 3 дней, в то время как обычно этот срок составляет менее 12 часов. Возможно, его удастся продлить до 10 дней и предотвратить значительное повреждение клеток, вызванное методами сохранения при низкой температуре. Альтернативные подходы включают новые криопротекторные растворители. В настоящее время разрабатывается новая система перфузии органов, способная восстанавливать, то есть на клеточном уровне, несколько жизненно важных органов (свиней) через час после смерти (когда организм подвергался продолжительной тепловой ишемии), а также аналогичный метод/система для оживления мозга (свиней) спустя несколько часов после смерти. Эта система восстановления клеток может быть использована для сохранения донорских органов или для проведения реанимационных мероприятий в экстренных случаях. Каррель описал первые трансплантации почки, выполненные на собаках в 1902 году; Ульман независимо описал аналогичные эксперименты в том же году. В этих экспериментах почки трансплантировались без каких-либо попыток их хранения. Решающим шагом, позволившим осуществить хранение почек in vitro, стало исследование Фурмана 1943 года, продемонстрировавшее обратимость влияния гипотермии на метаболические процессы изолированных тканей. До этого почки хранились при нормальной температуре тела с использованием крови или разбавленных перфузатов крови, но успешных реимплантаций достичь не удавалось. Фурман показал, что срезы коры почек и мозга крысы выдерживали охлаждение до 0,2 °C в течение часа, при которой температура их потребления кислорода была минимальной. При повторном нагревании срезов до 37 °C потребление кислорода возвращалось к норме. Благотворное влияние гипотермии на ишемические неповрежденные почки было продемонстрировано Оуэнсом в 1955 году, который показал, что если собак охлаждали до 23–26 °C и перекрывали грудную аорту на 2 часа, то их почки не проявляли явных повреждений при повторном нагревании. Это защитное действие гипотермии на почечное ишемическое повреждение было подтверждено Богардусом, который показал защитный эффект поверхностного охлаждения почек собак с зажатыми на месте почечными педикулами в течение 2 часов. Мойер продемонстрировал применимость этих экспериментов на собаках к человеку, показав тот же эффект на функцию почек собаки и человека при одинаковых периодах гипотермической ишемии. Лишь в 1958 году было показано, что неповрежденные собачьи почки лучше переносят ишемию при охлаждении до более низких температур. Стубер показал, что почки выживают при зажиме почечной педикулы на месте в течение 6 часов, если их охлаждают до 0–5 °C, помещая в охлаждающую оболочку, а Шлоерб показал, что аналогичная техника с охлаждением гепаринизированных почек собак до 2–4 °C обеспечивает защиту в течение 8, но не 12 часов. Шлоерб также пытался хранить и автотрансплантировать охлажденные почки in vitro и добился долгосрочного выживания одного животного после 4 часов хранения почки, реимплантации и немедленной контралатеральной нефректомии. У него также был почти выживший после 24 часов хранения почки и отсроченной контралатеральной нефректомии у собаки, у которой развился поздний артериальный тромбоз в почке. Эти методы поверхностного охлаждения были усовершенствованы путем внедрения методов, при которых сосудистая система почки промывалась холодной жидкостью перед хранением. Это увеличивало скорость охлаждения почки и удаляло эритроциты из сосудистой системы. Кизер использовал эту технику для успешного 7-часового хранения почки собаки in vitro после промывания почки при 5 °C смесью декстрана и разбавленной крови перед хранением. В 1960 году Лапчинский подтвердил, что подобные периоды хранения возможны, сообщив о восьми собаках, выживших после хранения их почек при 2–4 °C в течение 28 часов, после чего была проведена автотрансплантация и отсроченная контралатеральная нефректомия. Хотя Лапчинский не предоставил подробностей в своей статье, Хамфрис сообщил, что эти эксперименты включали охлаждение почек в течение 1 часа холодной кровью, а затем хранение при 2–4 °C с последующим повторным нагреванием почек в течение 1 часа теплой кровью во время реимплантации. Контралатеральная нефректомия была отложена на два месяца. Хамфрис поставил под сомнение необходимость использования методов непрерывной перфузии, продемонстрировав, что успешное 12-часовое сохранение можно достичь с использованием гораздо более простых методов. Кальн добился того, что одна почка поддерживала жизнь даже при выполнении контралатеральной нефректомии одновременно с операцией реимплантации. Кальн просто гепаринизировал почки собак, а затем хранил их в ледяном растворе при 4 °C. Хотя в одном эксперименте было показано, что возможно сохранение в течение 17 часов при отсроченной нефректомии, успеха при 24-часовом хранении достичь не удалось. Следующий прогресс был сделан Хамфрисом в 1964 году, когда он модифицировал перфузат, используемый в его первоначальной системе непрерывной перфузии, и добился того, что почка собаки поддерживала жизнь после 24-часового хранения, даже при немедленной контралатеральной нефректомии одновременно с реимплантацией. В этих экспериментах в качестве перфузата использовалась аутогенная кровь, разбавленная на 50% раствором Tis U Sol при 10 °C. Давление перфузата составляло 40 мм рт. ст., а pH перфузата – 7,11–7,35 (при 37 °C). Для оксигенации использовался мембранный легкий, чтобы избежать повреждения крови. Пытаясь улучшить эти результаты, Манакс исследовал влияние гипербарического кислорода и обнаружил, что успешное 48-часовое хранение почек собак возможно при 2 °C без использования непрерывной перфузии, когда почки промывались раствором декстрана/Tis U Sol перед хранением под давлением 7,9 атмосферы, и если контралатеральная нефректомия была отложена до 2–4 недель после реимплантации. Манакс предположил, что гипербарический кислород может действовать либо путем ингибирования метаболизма, либо путем облегчения диффузии кислорода в клетки почек, но он не представил контрольных экспериментов, чтобы определить, какие другие аспекты его модели были более важными, чем гипербария. Значительное улучшение времени хранения было достигнуто Белзером в 1967 году, когда он сообщил об успешном 72-часовом хранении почки после возвращения к использованию непрерывной перфузии с использованием перфузата на основе собачьмой плазмы при 8–12 °C. Белзер обнаружил, что решающим фактором, позволяющим проводить беспрепятственную 72-часовую перфузию, является криоосаждение плазмы, используемой в перфузате, для уменьшения количества нестабильных липопротеинов, которые в противном случае выпадали в осадок из раствора и постепенно закупоривали сосудистую систему почки. В системе также использовался мембранный оксигенатор в дальнейшей попытке предотвратить денатурацию липопротеинов, поскольку криоосаждением удалялось только 35% липопротеинов. Перфузат состоял из 1 литра собачьей плазмы, 4 мэкв сульфата магния, 250 мл декстрозы, 80 единиц инсулина, 200 000 единиц пенициллина и 100 мг гидрокортизона. Помимо криоосаждения, перфузат предварительно фильтровался через фильтр 0,22 мкм непосредственно перед использованием. Белзер использовал pH перфузата 7,4–7,5, Po2 150–190 мм рт. ст. и давление перфузата 50–80 мм рт. ст. систолическое в аппарате, который создавал пульсирующий поток перфузата. С помощью этой системы Белзер добился выживания 6 собак после 72-часового хранения их почек и последующей реимплантации, при этом немедленная контралатеральная нефректомия проводилась во время операций реимплантации. Использование гидрокортизона в качестве вспомогательного средства для сохранения было предложено работой Лотке с ломтиками почки собаки, в которой гидрокортизон улучшал способность ломтиков выделять ПАГ и кислород после 30-часового хранения при 2–4 °C; Лотке предположил, что гидрокортизон может действовать как стабилизатор мембран лизосом в этих экспериментах. Остальные компоненты модели Белзера были получены эмпирическим путем. Инсулин и магний использовались частично в попытке вызвать искусственную гибернацию, поскольку Суомалайнен обнаружил, что этот режим эффективен для индуцирования гибернации у естественных гибернантов. Магний также был предоставлен в качестве метаболического ингибитора, следуя Ками...

Структурные повреждения

Структурные изменения, происходящие в течение 72-часового гипотермического хранения ранее неповрежденных почек, были описаны Маккеем, который показал прогрессирующую вакуолизацию цитоплазмы клеток, особенно выраженную в проксимальных канальцах. При электронной микроскопии было обнаружено набухание митохондрий с ранним разделением внутренних кристаллических мембран и последующей потерей всей внутренней структуры. Целостность лизосом сохранялась до поздних стадий, и разрушение клеток, по-видимому, не было вызвано литическими ферментами, поскольку повреждений непосредственно рядом с лизосомами не было больше, чем в остальной части клетки. Вудс и Лю также проводили биопсию через час после реимплантации. При электронной микроскопии Хилл обнаружил повреждение эндотелия, которое коррелировало с тяжестью отложения фибрина после реимплантации. Изменения, которые Хилл наблюдал в гломерулах при световой микроскопии, включали случайные тромбы фибрина и инфильтрацию полиморфноядерными лейкоцитами. Хилл предположил, что эти изменения были вызваны иммунологической реакцией, но не обнаружил корреляции между тяжестью гистологического поражения и наличием или отсутствием отложений иммуноглобулина. Имеются многочисленные сообщения об анализе мочи, образующейся в почках во время перфузионного хранения. Кастагир проанализировал мочу, полученную в течение 24-часовой перфузии, и обнаружил, что она является ультрафильтратом перфузата. Скотт обнаружил следы белка в моче во время 24-часового хранения, а Педерсен – лишь следы белка после 36-часового перфузионного хранения. Педерсен отметил, что ранее обнаруживал выраженную протеинурию в других экспериментах. Вудс выявил значительную корреляцию между содержанием воды в коре почки собаки и способностью почек поддерживать жизнь после 36-часового хранения. Механизм перекачки обеспечивается ферментной системой, известной как Na+K+ АТФаза, и ингибируется холодом. Леви обнаружил, что метаболическая активность при 10 °C, определяемая по потреблению кислорода, снижается примерно до 5% от нормы, и поскольку все ферментные системы в одинаковой степени подвержены воздействию гипотермии, активность АТФазы значительно снижается при 10 °C. Однако существуют тканевые и видовые различия в чувствительности этой АТФазы к холоду, что может объяснять различия в способности тканей выдерживать гипотермию. Мартин показал, что в кортикальных клетках почки собаки некоторая активность АТФазы сохраняется при 10 °C, но не при 0 °C. В клетках печени и сердца активность полностью ингибировалась при 10 °C, и эта разница в чувствительности АТФазы к холоду коррелировала с большими трудностями в контроле отека клеток во время гипотермического хранения печени и сердца. Отдельная АТФаза обнаружена в стенках сосудов, и Белцер показал, что она полностью ингибируется при 10 °C, в то время как при этой температуре АТФаза в кортикальных клетках почки остается активной. Эти эксперименты были проведены на эндотелии аорты, но если сосудистый эндотелий почки обладает теми же свойствами, то повреждение сосудов может быть ограничивающим фактором при длительном хранении почки. Уиллис показал, что животные, впадающие в спячку, получают часть своей способности выживать при низких температурах благодаря наличию Na+K+ АТФазы, которая способна активно транспортировать натрий и калий через клеточные мембраны при 5 °C примерно в шесть раз быстрее, чем у животных, не впадающих в спячку; эта скорость транспортировки достаточна для предотвращения отека клеток. Скорость охлаждения ткани также может иметь значение для возникновения повреждений ферментных систем. Франкавилла показал, что при быстром охлаждении срезов печени (немедленное охлаждение до 12 °C за 6 минут) анаэробный гликолиз, измеренный при повторном нагревании до 37 °C, ингибировался примерно на 67% по сравнению с активностью, продемонстрированной в срезах, подвергшихся замедленному охлаждению. Однако быстрый охлаждение оказало меньшее влияние на срезы почки собаки, чем на срезы печени.

Аноксия

Все клетки нуждаются в АТФ как источнике энергии для своей метаболической активности. Почки повреждаются при аноксии, когда клетки коры почек не способны генерировать достаточное количество АТФ в анаэробных условиях для удовлетворения потребностей клеток. При удалении почки некоторая аноксия неизбежна в интервале между перевязкой почечной артерии и охлаждением почки. Бергстром показал, что 50% содержания АТФ в корковых клетках почки собаки теряется в течение 1 минуты после пережатия почечной артерии, а Уорник получил аналогичные результаты на почках целых мышей, с уменьшением клеточного АТФ на 50% примерно через 30 секунд тепловой аноксии. Уорник и Бергстром также показали, что немедленное охлаждение почки после удаления значительно снижает дальнейшую потерю АТФ. Когда эти почки, не подвергавшиеся тепловому повреждению, перфузировались оксигенированной гипотермической плазмой, уровни АТФ снизились на 50% после 24 часов хранения, а через 48 часов средние уровни АТФ в тканях были немного выше, что свидетельствует о синтезе АТФ. Пегг показал, что почки кроликов могут ресинтезировать АТФ после периода перфузионного хранения после теплового повреждения, но ресинтез не происходил в почках, не подвергавшихся тепловому повреждению. Теплая аноксия также может возникать при повторной имплантации почки после хранения. Лэннон показал, посредством измерения метаболизма сукцината, что почки более чувствительны к периоду тепловой гипоксии, возникающему после хранения, чем к тому же периоду тепловой гипоксии, возникающему непосредственно перед хранением.

Недостаток основных питательных веществ

Активный метаболизм глюкозы с образованием бикарбоната был продемонстрирован Петтерссоном и Коэном. Было показано, что жирные кислоты являются предпочтительным субстратом для коры почек кролика при нормальной температуре, а глюкоза – предпочтительным субстратом для клеток мозгового слоя, которые обычно метаболизируют анаэробно. Абодели показал, что как жирные кислоты, так и глюкоза могут использоваться наружным мозговым слоем почки кролика, но глюкоза используется предпочтительнее. При гипотермии метаболические потребности почки значительно снижаются, но наблюдается измеримое потребление глюкозы, жирных кислот и кетоновых тел. Horsburgh обнаружил потерю липидов (35% от общего количества липидов через 24 часа), если олеат не добавлялся в почечный перфузат. Хуан отметил, что эта потеря может повлиять на структуру клеток, а также указывает на то, что почка использует жирные кислоты. В более поздней публикации Хуан показал, что срезы коры почки собаки метаболизируют жирные кислоты, но не глюкозу, при 10 °C. Даже при правильном обеспечении питательными веществами, они могут быть потеряны из-за абсорбции в трубках системы сохранения. Ли продемонстрировал, что силиконовая резина (материал, широко используемый в системах сохранения почек) абсорбирует 46% олеиновой кислоты после 4 часов перфузии.

Аккумуляция токсинов

Абуна показал, что аммиак выделялся в перфузат в течение 3 дней хранения почек, и предположил, что это может быть токсично для клеток почек, если не удаляется частой заменой перфузата. Лю также обнаружил, что качество сохранения в течение 96 часов улучшалось при использовании двойного объема перфузата или при обмене перфузата. Однако выводы Грундманна основывались на сравнении с контрольной группой, состоящей всего из 3 собак. Коэн показал, что прокаин, входящий в состав его промывающих растворов, может быть токсичным, а Пегг отметил, что токсичные вещества, такие как пластификаторы ПВХ, могут вымываться из трубок перфузионной системы. Дворак показал, что добавление метилпреднизолона к перфузату, которое Вудс считал необходимым, привело к появлению одноцепочечных разрывов ДНК в течение 16 часов в почках мышей, хранившихся при гипотермии, при этом повреждение незначительно подавлялось при хранении в растворах Коллинза или Сакса. Это повреждение ядра отличалось от того, что наблюдается при тепловом повреждении, когда возникают разрывы двухцепочечной ДНК.

Механическое повреждение сосудистой системы

Методы хранения органов с перфузией могут механически повреждать сосудистый эндотелий почки, что приводит к артериальному тромбозу или отложению фибрина после реимплантации. Хилл показал, как можно создать струйное повреждение дистальнее канюли, введенной в почечную артерию, вызывающее артериальный тромбоз примерно в 1 см дистальнее места канюляции.

После реимплантации травма

Существуют данные, свидетельствующие о том, что иммунологические механизмы могут повреждать гипотермически перфузированные почки после реимплантации, если перфузат содержит специфические антитела. Кросс описал две пары почек человеческих трупов, которые одновременно перфузировали криопреципитатом плазмы, содержащим HLA-антитела, специфичные к одному из пар. Обе эти почки подверглись раннему артериальному тромбозу. Лайт описал аналогичное гиперчувствительное отторжение после перфузионного хранения и показал, что использованный криопреципитат плазмы содержал цитотоксические антитела IgM. Эта потенциальная опасность использования криопреципитата плазмы была экспериментально продемонстрирована Фило, который в течение 24 часов перфузировал почки собак специально сенсибилизированным криопреципитатом плазмы собак и обнаружил, что он может индуцировать гломерулярные и сосудистые поражения с застоем капилляров, отеком эндотелия, инфильтрацией полиморфноядерными лейкоцитами и артериальным тромбозом. Иммунофлуоресцентная микроскопия выявила специфическое связывание IgG вдоль эндотелиальных поверхностей, в гломерулах и в сосудах. После реимплантации фиксация комплемента и повреждение тканей происходили по аналогичному механизму. Наблюдалась некоторая корреляция между степенью гистологического повреждения и последующей функцией почек. Многие исследователи пытались предотвратить перегрев почек во время реимплантации, но только Коэн описал использование системы активного охлаждения. Также описано медленное снятие сосудистых зажимов в конце операций по реимплантации почек, чтобы избежать повреждения почки, однако другие исследователи не указывали, использовали ли они этот прием. После того, как Коэн обнаружил повреждение сосудов с внутрипочечным кровотечением через 3 дня перфузионного хранения, для всех последующих экспериментов использовалась техника медленной реваскуляризации с целью дать время внутрипочечным сосудам восстановить свой тонус, достаточный для предотвращения полного систолического давления на хрупкие гломерулярные сосуды. Отсутствие грубых сосудистых повреждений в его последующих перфузиях, возможно, связано с использованием этого приема.