КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-25-10013

НазваниеНовая технология длительного нормотермического кондиционирования донорского сердца ex vivo с использованием транспортного контейнера.

РуководительЖульков Максим Олегович, Кандидат медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н. Мешалкина» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-701 - Медицинская техника

Ключевые словатранспортный контейнер, нормотермическая перфузия, хроническая сердечная недостаточность, пересадка сердца, консервация сердца, аутоперфузия, перфузия органов ex vivo

Код ГРНТИ76.13.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной биомедицинской и биотехнической проблемы – разработку новой технологии длительного нормотермического кондиционирования донорского сердца, а также создание автономного транспортного контейнера нормотермической аутоперфузии донорского сердца ex vivo. Стратегия, направленная на сокращение потребности в донорских органах за счет использования трансплантатов от доноров с расширенными критериями, доказала свою безопасность и была оформлена в виде протоколов в Австралии, Бельгии, Нидерландах, Испании, Великобритании и США. Использование доноров из отдалённых регионов стало возможным благодаря значительному прогрессу в области кондиционирования донорских органов, в частности, благодаря развитию систем перфузии. Несмотря на то, что фармакохолодовая защита является стандартом консервации уже через четыре часа функция трансплантата может быть скомпрометирована особенно у пациентов старшей возрастной группы (Costanzo M.R. et al., 2010). По данным J. Kobashigawa et al., ишемия, превышающая 4 часа, значительно увеличивает риск первичной дисфункции трансплантата, которая связана с 8% смертностью через 30 дней и повышенной смертностью через 5 и 15 лет после трансплантации (Kobashigawa J. et al., 2016). Теплая перфузия сердца ex vivo является альтернативным методом сохранения трансплантата, позволяющим улучшить функцию донорского органа, расширить пул доноров, пренебрегая временем, необходимым на транспортировку органа от донора к реципиенту (Sáez DG et al., 2014). На сегодняшний день система TransMedics (Массачусетс, США - CTM) является единственным коммерчески доступным устройством для транспортировки донорского сердца в нормотермическом перфузионном состоянии. Однако, стоимость аппарата и расходного материала практически исключает их использование в РФ. С целью ликвидировать отставание России в данном направлении высокотехнологичной кардиохирургической помощи необходима разработка адекватного по цене отечественного устройства длительного кондиционирования донорского сердца и технологии его применения, не уступающих по характеристикам зарубежным аналогам. Цель проекта заключается в реализации оригинальной концепции использования фундаментальных физиологических законов ауторегуляции сердечной деятельности на основе разработанного транспортного контейнера. Однако, для успешной реализации инновационных концептов необходимо решить ряд фундаментальных вопросов, сведения о которых отсутствуют в литературе: вопрос об оптимальных параметрах качественного состава перфузата, оптимальном освобождении рециркулирующего перфузата от токсических продуктов клеточной жизнедеятельности путем использования современных диализных экстракорпоральных технологий, тщательной проработки хирургической техники эксплантации функционирующего сердечно-легочного комплекса. Большой раздел исследований связан с экспериментальным моделированием и биоинжинирингом: расчеты конструкции транспортного контейнера и технологических решений поставленных задач. В связи с этим в состав научной группы входят представители, имеющие большой опыт успешного решения междисциплинарных проблем: специалисты в области хирургии и трансляционной медицины, а также прикладной механики и математического моделирования. Верификация разработанного транспортного контейнера, методики консервации и хирургической техники оперативного вмешательства будут выполнены путем комплексной доклинической оценки на соответствие стандартов ГОСТ ISO 10993-4-2011, ГОСТ 27422-87 и ГОСТ 23498-79, включая протоколы гуманного обращения с животными в рамках Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (Страсбург, 18.03.1986).

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет решен ряд фундаментальных научных задач, актуальных для мировой биомедицинской науки. Полученные результаты могут стать основой технологий, перспективных для внедрения в реальный сектор экономики и практическое здравоохранение. Впервые будет реализована концепция автономного существования сердечно-легочного комплекса ex vivo как метод длительного нормотермического кондиционирования донорского трансплантата путем аутоперфузии. Возможность пролонгированного наблюдения и динамического мониторинга функционального статуса донорского органа позволит провести широкий скрининг параметров, обеспечив оптимальное соответствие реципиента донору. Такой подход в полной мере отвечает задачам персонализированной медицины. Кроме того, возможность длительного поддержания нормотермической перфузии за счет собственных физиологических свойств трансплантата позволит значительно сократить технологическую загруженность разрабатываемого транспортного контейнера, что, несомненно, отразится на экономических преимуществах устройства. Учитывая, что в проекте предусмотрена тщательная биоинженерная проработка концепта с привлечением методов численного моделирования, а также комплексная доклиническая оценка разработанного устройства, вероятность его востребованности отечественными производителями не вызывает сомнений. Помимо этого, в ходе реализации проекта предполагается решить ряд фундаментальных задач. Впервые будет определен оптимальный качественный состав перфузата, позволяющий обеспечить автономное дожитие сердечно-легочного комплекса. Впервые будут определены основные критические условия качественного функционирования трансплантата ex vivo. Будут предложены новые биоинжиниринговые решения конструкции транспортного контейнера, позволяющие использовать любые логистические схемы доставки донорского органа, в том числе воздушным видом транспорта. С целью точного прогнозирования функционального исхода трансплантации будет разработан протокол оценки качества трансплантата с использованием лабораторного, ультразвукового, рентгенконтрастного и электрофизиологического методов исследования, что позволит значительно увеличить донорский пул за счет органов, полученных от доноров с расширенными критериями. Будут выполнены технические и доклинические испытания разработанной модели транспортного контейнера и хирургической техники эксплантации органокомплекса. Актуальность решения проблемы вытекает из того, что заболевания системы кровообращения являются ведущей причиной смертности населения во всем мире (Чазова И.Е., с соавт.,2015). На настоящий момент проблема нехватки донорских органов остается нерешенной (Thomas M.S. et al., 2013). Учитывая географические расстояния и трудности логистики, в большом количестве случаев приходится отказываться от использования донорского органа, при потенциальном времени доставки более 4 часов (Киряев А. с соавт., 2018). Разработка экономически выгодного и эффективного способа сохранения жизнеспособности донорского сердца позволит кратно увеличить число трансплантаций сердца, а значит снизить затраты на дорогостоящие устройства вспомогательной поддержки кровообращения, уменьшить расходы на консервативное лечение хронической сердечной недостаточности, увеличить продолжительность жизни пациентов трудоспособного возраста, снизить степень инвалидизации населения. Таким образом, ожидаемые результаты проекта будут иметь как мировую новизну, так и высокую прикладную значимость. Разработка новой методики пролонгированного кондиционирования донорского сердца через решение актуальных фундаментальных вопросов биоинжиниринга и трансляционной медицины при переводе ее в реальный сектор экономики позволит увеличить доступность персонализированной высокотехнологичной помощи пациентам с терминальной стадией хронической сердечной недостаточности, ликвидировав отставание не только на территории Новосибирской области, но и Российской Федерации в целом по данному направлению сердечно-сосудистой хирургии. Решение фундаментальных задач, в полной мере соответствующих мировому уровню, помимо накопления новых знаний, позволит создать предпосылки для последующих прикладных разработок.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Числовое моделирования параметров отдельных узлов транспортного контейнера выполнялось с учетом анатомических данных, полученных в результате томографического исследования здоровых пациентов. Компьютерная томографическая ангиография кровеносных сосудов грудной клетки выполнялась на оборудовании с количеством срезов от 64 и более, с толщиной реконструированного среза составила не более 1 мм. Сканирование грудного отдела аорты осуществлялось с ЭКГ-синхронизацией – с целью исключения фаз сердечного цикла с наличием артефактов, после чего полученные данные сохранялись в формате DICOM. С использованием программного обеспечения Materialise 3-matic Research 13.0 выполнено объёмное моделирование сердечно-легочного комплекса. 2. В ходе проведенного анализа морфометрических данных сердечно-легочного комплекса пациентов было разработано техническое решение устройства транспортного контейнера для проведения нормотермической аутоперфузии. Корпус состоит из внутренней стерильной зоны и камеры теплообменника. Внутренняя стерильная зона имеет плоское дно с уклоном. Для физиологичного позиционирования органокомплекса в транспортном кувезе во внутренней стерильной зоне располагается анатомический перфорированный вкладыш, выполненный в соответствии с анатомической формой грудной клетки человека. В ходе проведенной конструкторской работы были получены чертежи экспериментальной тренировочной модели транспортного кувеза. 3. В качестве экспериментальной модели для проведения серии острых экспериментов (n-10) были использованы свиньи породы ландрас, самки, весом 505 кг в возрасте 4-5 месяцев. Эксплантацию работающего сердечно-легочного комплекса (рСЛК) выполняли через срединную стернотомию. Выделение рСЛК начинали с мобилизации верхней полой вены (ВПВ) и перевязки непарной вены. Затем выделяли брахиоцефальный ствол (БЦС), обе сонные артерии, левую подключичную артерию (ЛПкА). Трахею осторожно отделяли от пищевода используя электрокоагулятор, добиваясь тщательного гемостаза. После введения гепарина (3 мг/кг массы тела) ЛПкА перевязывали и пересекали, избегая грубых тракций. Через правую подключичную артерию по направлению к сердцу устанавливали артериальную канюлю 16-18 Fr, которую соединяли с резервуаром, подвешенным на высоте 70 см над сердцем. Под контролем иАД, перевязывали все брахиоцефальные артерии, избегая повышения давления в корне аорты более 130-140 мм.рт.ст. за счет дозированной эксфузии крови в резервуар. После пережатия нисходящей грудной аорты на уровне перешейка выполняли забор артериальной крови в резервуар до стабилизации уровня крови. Затем перевязывали и пересекали полые вены, трахею пересекали и повторно интубировали трубкой с манжетой, рСЛК окончательно отделяли от окружающих тканей, переносили в контейнер с теплым физиологическим раствором (38°С) и продолжали наблюдение. В серии острых экспериментов было выполнено 10 эксплантаций рСЛК с последующим 6-часовым наблюдением. Несмотря на поддержание среднего уровня артериального давления в корне аорты на уровне 65-75 мм.рт.ст. сердечный выброс составлял от 846,0 до 1414,0 мл в минуту. 4. В экспериментальной группе (n=5) кондиционирование сердца проводили в условиях 6-часовой нормотермической аутоперфузии сердечно-легочного комплекса ex vivo, затем выполняли фармакохолодовую консервацию кустодиолом при 4°С в течение 1 ч с последующей реперфузией аппаратом искусственного кровообращения. В качестве группы контроля (n=5) выступали сердца, консервированные в течение 6 ч согласно принятому в клинике протоколу фармакохолодовой консервации трансплантата кустодиолом. Уровень маркеров ишемии — лактатдегидрогеназы, креатинфосфокиназы-МВ, тропонина-I и лактата — в оттекающей из коронарного синуса крови в группе контроля после реперфузии в 2 раза превышал таковой в группе аутоперфузии. При макроскопической оценке наблюдались выраженная гетерогенность и отек миокарда сердец контрольной группы с выраженной констрикцией полостей желудочков. Отмечалась сохранность поперечной исчерченности кардиомиоцитов с зонами усиления анизотропии и субсегментарных контрактур. В группе аутоперфузии на протяжении 6 ч сердце самостоятельно обеспечивало коронарную перфузию, средний уровень сердечного выброса составил 1 052 ± 134 мл/мин. 5. Сравнительное исследование параметров гемодинамики проводили согласно методики, описанной выше. Сердца контрольной группы не были способны поддерживать артериальное давление в корне аорты на уровне 60 мм.рт.ст. При этом в экспериментальной группе время реперфузии, необходимое для отлучения СЛК от искусственного кровообращения с возможностью самостоятельно поддерживать уровень артериального давления в корне аорты не ниже 60 мм.рт.ст. составило 87 [67;102] мин и 19 [17,5;22,5] мин (р<0,05) в контрольной и экспериментальной группах соответственно. Однако наряду с очевидными преимуществами технологии аутоперфузии перед статичной холодовой консервацией вопрос сохранения структуры и газообменной функции аутологичных легких остается открытым. Основные параметры гемодинамики представлены в таблице 5. 6. Параметры центральной гемодинамики исследовали путем катетеризации правых отделов сердца катетером Сван-Ганса, а также с помощью портативной многофункциональной ультразвуковой системы Philips CX50 (Philips Ultrasound, USA) c ЭКГ синхронизацией с использованием секторного фазированного датчика S5-1. Диастолическую функцию левого желудочка оценивали путем расчета скорости изменения давления в ЛЖ во время изоволюмического расслабления (–dP/dt). Значения в контрольной и экспериментальной группах через 6 часов аутоперфузии составили 310 и 60 соответственно (р<0,05). Сердечный выброс составил 0,37 [0,23; 0,52] и 0,63 [0,37; 0,80] в контрольной и экспериментальной группах соответственно. LVSW-21,06 [15,28; 27,25] мл ⋅ мм рт. ст., PRSW 0,57 [0,34; 0,76] мл, VPO - 1 452,9 [659,0; 2 397,9] мл ⋅ мм рт. ст. ⋅ об/мин, CPO 43,03 [25,83; 62,45] Вт, CVR 8,81,1 мм.рт.ст. ⋅ мин/мл/100г. 7. В серии острых экспериментов было выполнено 10 эксплантаций аутоперфузируемого сердечно-лёгочного комплекса. После стабилизации параметров гемодинамики выполняли селективную катетеризацию коронарных артерий c использованием катетеров модификации Джадкинс 4Fr (Judkins RightLeft, Perfoma, Merit medical, США). Кувез располагали примерно в 70-80 см от рентгеновской трубки и как можно ближе к детектору, чтобы уменьшить рассеивание луча. На протяжении последующих 6-ти часов нормотермической аутоперфузии сердечный выброс и параметры гемодинамики оставались в пределах нормы. Сохранение физиологической синтопии элементов аутоперфузируемого сердечно-лёгочного комплекса, а также автономность транспортного кувеза позволяют добиться стандартизации протокола проведения коронароангиографии трансплантата между трансплантологическими центрами. 8. Несмотря на ряд проведенных исследований, выбор оптимального режима, а также чувствительность диагностических маркеров в прогнозировании функционального исхода трансплантации по-прежнему является предметом дискуссии. Результаты проведенного исследования доказывают возможность эффективного обеспечения коронарного кровотока в аутоперфузируемого сердечно-легочном комплексе. Сопротивление коронарного русла в контрольной группе после реперфузии было статистически значимо выше, чем в группе аутоперфузии. Данный факт свидетельствует о сохранении регионарной вазомоторной ауторегуляции с целью поддержания адекватной, но не чрезмерной поставки кислорода миокарду. Однако наряду с очевидными преимуществами технологии аутоперфузии перед статичной холодовой консервацией вопрос сохранения структуры и газообменной функции аутологичных легких остается открытым. Сохранение исходных параметров гемодинамики также актуально и с позиций возможности прогнозирования функционального исхода трансплантации и оценки трансплантат с позиций возможности эффективно обеспечивать минутный объем кровообращения в теле реципиента.

 

Публикации

1. Жульков М.О ., Зайнобудинов Ш.Ш., Сирота Д.А., Протопопов А.В., Зыков И.С., Макаев А.Г., Кармадонова Н.А., Муртазалиев М.Н., Косимов Ф.Ю., Таркова А.Р., Агаева Х.А., Фрыкина О.Е., Кобелев Е. Оценка коронарного статуса аутоперфузируемого донорского сердца в эксперименте Клиническая и экспериментальная хирургия. Журнал имени академика Б.В. Петровского, 2023. Т. 11, № 3. С. 82–90. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.33029/2308-1198-2023-11-3-00-00

2. Жульков М.О., Таркова А.Р., Зыков И.С., Макаев А.Г., Протопопов А.В., Муртазалиев М.Н., Косимов Ф.Ю., Кармадонова Н.А., Смирнов Я.М., Кливер Е.Э., Волков А.М., Агаева Х.А., Сирота Д.А. Длительная нормотермическая аутоперфузия сердечно-легочного комплекса ex vivo как метод эффективного кондиционирования трансплантата: экспериментальное исследование Патология кровообращения и кардиохирургия., 4 (год публикации - 2023)

3. Жульков, М. О., Зыков, И. С., Макаев, А. Г., Протопопов, А. В., Муртазалиев, М. Н., Косимов, Ф. Ю., Сирота, Д. А. Хирургическая техника эксплантации работающего сердечно-легочного комплекса в эксперименте Вестник трансплантологии и искусственных органов, – 2023. – Т. 25. – №. 3. – С. 122-128 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.15825/1995-1191-2023-3-122-128

4. - «Новую технологию транспортировки донорских органов создают в Новосибирске» Вести Новосибирск, - (год публикации - )

5. - Редакция программы "Новости ОТС" Программа "Научная среда», - (год публикации - )

6. - «Свинье пересадили уникальный сосудистый протез в Новосибирске» Телеканал ОТС, - (год публикации - )

7. - «Самый важный груз» Журнал "Медицинская газета", - (год публикации - )