陈原森，刘子泉，王海旺，蔡金霞，李文莉，侯世科，樊毫军，张伟丽，刘燕青

体外膜肺氧合（Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO）作为一种重要的体外生命支持（Extracorporeal Life Support，ECLS）技术，临床上主要用于常规治疗无效的严重心脏衰竭和/或肺衰竭患者的辅助支持治疗[1]。由于该技术可在较长时间内全部或部分替代患者的心肺功能，迅速改善危重症患者的低氧血症和循环衰竭状态，为心肺疾患的救治和功能恢复赢得时间，有效降低患者的死亡率，目前ECMO已经成为治疗难以控制的严重心力衰竭和呼吸衰竭的关键技术[2]。但受患者自身疾病及ECMO技术特点所限，接受ECMO辅助治疗的患者常面临继发多种并发症的可能[3,4]。为了探索ECMO的最佳救治方案，防治相关并发症，国内外学者建立了多种ECMO动物模型，模型动物主要选用猪、狗、羊和大鼠[5-9]。大鼠价格低廉，易于饲养，心血管系统与人类相似，可用于大样本研究的筛选和论证实验，也适合进行基因敲除等分子机制研究，因此，近年来利用大鼠制作ECMO模型的研究逐渐增多[10]，本文就目前大鼠用ECMO系统及ECMO模型应用现状进行综述。

1 大鼠用ECMO系统

1.1 循环回路的组成大鼠ECMO系统，如图1所示，主要由血泵、小动物专用膜肺、热交换器、血管内插管及连接管路等组件构成。有研究在引流端插管和泵间加入含有预充液的注射器作为蓄水池以支持系统血液循环并消除可能产生的气泡[11]。

图1 大鼠ECMO循环回路

1.1.1 血泵临床常用的血泵有滚压泵和离心泵两种。滚压泵依靠转辗对管路交替挤压和释放来驱动血液，离心泵则依靠叶轮旋转来驱使血液流动。离心泵作为新的技术弥补了滚压泵的一些缺陷：如转辗与管路的直接接触会增加滚压泵管路破裂的风险；需要适当校准以保证滚压泵功能正常[12]。目前临床上离心泵已经被广泛用于ECLS，但对于大鼠模型来说，离心泵泵头预充量过大，如ECMO系统中常用的离心泵泵头最小预充量为16 ml，但有些品牌的泵头最小充量则超过30 ml[13]。此外，大鼠ECMO运转所需的流速较低，通常不超过100 ml/min，而离心泵误差一般为0.1 L/min[13]，无法实现大鼠ECMO流量的精确控制。基于以上原因，目前大鼠ECMO一般采用小型蠕动泵，通过选择合适的泵管及转速，可实现对流速的精确控制；此外，使用蠕动泵也可减小回路预充量。

1.1.2 微型氧合器大鼠血量约为64 ml/kg，远远小于人体，因此人用的氧合器（膜肺）不适用于大鼠，需要研制大鼠专用的氧合器。大鼠氧合器要求预充量少并具有足够的气体交换面积。在早期的大鼠体外循环和ECMO模型实验中，研究者一般自制氧合器[11,14-19]。随着近年来大鼠ECMO和体外循环研究逐渐增多，一些公司研制并推出了大鼠专用的膜式氧合器[20-21]。如某公司研制的Micro-1大鼠膜式氧合器，预充量仅为3.5ml，气体交换面积达到0.05 m2，被多个研究团队的大鼠ECMO模型所采用[22-25]。

1.1.3 热交换器热交换器用于调节ECMO运转时的血液温度，维持大鼠体温。在大鼠ECMO模型中常用的热交换器有加热灯和恒温水箱[14,26]。加热灯不能精确控制温度。而通过恒温水箱加热则需要在回路中添加热交换装置，会增加回路的预充量，通过定制专用热交换装置能有效控制回路预充量。You等[14]自制热交换器及水箱，在循环期间约有1～2 ml血液留在热交换器中。

1.2 ECMO的模式根据血液回输途径不同，大鼠ECMO通常分为多种模式：静脉-动脉（Veno-Arterial，V-A）ECMO，静脉-静脉（Veno-Venous，V-V）ECMO和动脉-静脉（Arterio-Venous，A-V）ECMO。V-A ECMO将血液从大鼠静脉系统引出，经过体外氧合并排出二氧化碳，再通过动脉泵入，可同时为大鼠提供呼吸和循环支持；V-V ECMO将血液从大鼠静脉系统引出，经过体外氧合并排出二氧化碳，再通过静脉回输，可为大鼠提供呼吸支持[27-28]。A-V ECMO则是利用动静脉压力差驱动血液，该模式通常用于患者的呼吸支持。相较于V-A ECMO，目前V-V ECMO和A-VECMO相关的大鼠模型鲜见报道。2020年，Yutaka等[29]建立了一种简单、可维护的新型大鼠V-V ECMO模型以探讨ECMO循环过程中的生物反应机制。有些研究根据其研究内容和实验设计，可选择其他循环模式，如Nao等[30]制作大鼠A-V ECMO模型探索ECMO循环过程中肝素用量对氧合器血栓形成的影响，该模式下减小了引流端引流难度。

2 大鼠ECMO模型的一些问题

2.1 关于穿刺置管一般根据实验大鼠体质量和置管部位血管口径选择合适的血管内插管。大鼠ECMO模型常以颈静脉作为系统的引流端，一般将引流插管置于上腔静脉、下腔静脉与右心房交界处。为保证引流端的顺利引流，一些研究选择带有多个侧孔的导管[29]或自制多孔导管[26]作为静脉引流插管，如图2所示。此外，将插管经颈静脉推送至右心房也可保证顺利引流[23]。V-A ECMO大鼠模型常以颈动脉，尾动脉和股动脉等作为系统的回流端；V-V ECMO大鼠模型常以股静脉作为系统的回流端。

图2 多孔导管示意图

2.2 关于肝素抗凝在大鼠ECMO循环过程中为了防止凝血和血栓形成，通常会在循环开始前给大鼠注射肝素以达到全身抗凝的目的，常用的肝素剂量为500 IU/kg[23-24,31-33]。常用激活全血凝固时间（Activated Clotting Time，ACT）评价抗凝效果。Chang等[22]使用剂量为500 IU/只肝素使模型大鼠ACT维持300 s以上；Yutaka等[29]建立的大鼠V-V ECMO模型则将ACT维持在200-250 s之间。但目前多数大鼠ECMO模型相关研究没有检测ACT。

2.3 关于运行时间不同大鼠模型ECMO的运行时间有所不同，但目前大多数大鼠ECMO模型运行时间控制在2 h以内[14-17,20,33]。其可能原因是大鼠ECMO管路不具有抗凝涂层，长时间运转可能会增加血栓等并发症的风险。

3 大鼠ECMO模型的应用

3.1 心脏骤停（Cardiac Arrest，CA）研究体外心肺复苏术（Extracorporeal Cardiopulmonary Resuscitation，ECPR）治疗难治性CA是ECMO动物模型一个重要的应用方向。虽然目前已经建立了大动物的ECPR模型[5]，但利用小动物进行ECPR研究不仅经济而且适合开展大规模的实验研究，还可引入分子和免疫学等手段。Andreas等[34]的研究比较了ECPR和传统心肺复苏（Cardiopulmonary Resuscitation，CPR）对CA大鼠的救治效果：首先制作室颤致大鼠CA模型，在CA持续6 min后，分别使用ECPR和传统CPR进行救治，结果表明在CA 6 min后ECPR是可行的，但与传统CPR相比未见显著优势。Magnet等[35]研究发现，大鼠CA持续10 min后，分别用采用传统CPR和低温ECPR救治进行对照，结果表明低温ECPR救治效果显著优于传统CPR。

3.2 急性肺损伤研究急性肺损伤是临床常见重症，ECMO可以在无机械通气辅助的情况下改善患者氧合。在救治急性呼吸窘迫综合征方面有着广阔的应用前景。陈永梅等[36]探索了ECMO救治内毒素诱导的急性肺损伤大鼠的可行性：将30只大鼠随机分为对照组、模型组和ECMO组，监测ECMO运行过程中各组动物的血气分析数据，实验结束后称量各组大鼠肺组织的干湿重比，结果表明ECMO体外转流可减轻肺水肿，有助于改善内毒素致肺损伤后的气体交换。

3.3 ECMO运行期间炎症反应研究ECMO运行过程可能引发全身的炎症反应并导致多器官功能损伤。目前部分研究利用大鼠模型探索ECMO运行期间发生的炎症反应。Yutaka等[37]观察了大鼠ECMO运行期间动脉氧分压（Partial Pressure Of Arterial Oxygen，PaO2） 对炎症反应和肺组织的影响，结果发现在ECMO运行期间出现了全身性的炎症反应并引发了多器官功能损害，包括肺水肿的产生；此外，ECMO运行期间产生了肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α）和白细胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）等炎性因子，而较高的动脉氧分压（PaO2≥300mmHg）会加剧炎性因子的产生。Fabian等[21]观察了不同小动物氧合器对机体炎症反应的影响：比较两种不同大小和排列方式的中空纤维膜氧合器（Micro-1和SAMO）对炎症反应的影响和不同灌流量对大鼠稀释性贫血的影响，检测ECMO运行前后的血红蛋白（Hemoglobin，Hb）浓度来评估稀释性贫血，结果发现Micro-1组大鼠的TNF-α和IL-6水平更高。

3.4 ECMO血栓并发症研究出血和血栓形成是ECMO常见的并发症。血栓形成会大大缩短氧合器的使用寿命，抗凝剂虽然可以抑制血栓形成，但会造成出血并发症，因此需要限制使用[38]。目前已经建立了一些大动物模型以探索氧合器中血栓形成的机制[39]。但关于大鼠ECMO模型的血栓并发症研究则极为鲜见。原因可能是大多数大鼠ECMO模型使用了高剂量的抗凝策略，利用大鼠研究ECMO的血栓并发症存在困难；此外，大鼠ECMO模型回路预充量相对较大，易造成稀释性贫血，不利于研究血栓等并发症。Nao等[30]使用3D打印的模拟氧合器研究大鼠ECMO系统血栓形成与抗凝剂的关系，该研究所用的3D打印模拟氧合器尺寸为20.0 mm×7.3 mm×3.0 mm，腔体内填充有实心棒模拟中空纤维，填充密度为50%，该氧合器具有和目前市售氧合器近似的结构和表面积体积比，同时整个回路的预充量仅为2.5 ml，减少了对血液的稀释作用。使用模拟氧合器的ECMO系统循环8 h后红细胞压积（Hematocrit，HCT）和Hb浓度仅比基线值降低20%～30%，表明该模型模拟氧合器血栓形成是可行的，但该模拟氧合器不具备气体交换的功能，不能用于疾病模型的 研究。

4 局限性

目前，虽然大鼠ECMO模型有着越来越广阔的应用前景，但该模型还存在一些局限：第一，由于氧合器、热交换器等设备所限，多数大鼠ECMO回路的预充量大于10 ml，这会造成血液很大程度的稀释，导致稀释性贫血，使得大鼠模型和临床存在差异；第二，由于大鼠专用氧合器和管路缺乏抗凝涂层，为防止凝血和血栓形成，目前大鼠ECMO模型常采用大剂量肝素抗凝，以致ECMO相关的凝血等并发症难以在大鼠模型中开展实验研究；第三，大鼠ECMO模型制作难点主要集中在动静脉置管等操作上，这需要长时间、反复地练习，才能提高模型成功率和稳定性；第四，目前的大鼠ECMO模型主要为V-A ECMO模式，相关的疾病研究也主要集中在心脏疾病等方面，急需开发更多、更稳定的大鼠V-V ECMO模型。

5 展 望

目前，ECMO主要用于难治性心源性休克、CA、急性呼吸衰竭等疾病的支持治疗，而ECMO相关并发症的防治将是未来研究的重点。针对大鼠ECMO模型和设备的缺陷，改善大鼠ECMO系统的各个环节，改进氧合器等关键设备，减少系统预充量，构建更简单、稳定和更贴近临床的大鼠ECMO模型将是未来的发展方向。随着大鼠ECMO模型的逐步完善，其不仅可用于治疗方案的优化和并发症的防治研究，ECMO联合其他治疗手段的实验研究也是颇具潜力的发展方向[40-41]。随着ECMO设备性能、临床操作技术和基础实验研究的不断进步，未来ECMO将为危重症患者提供更安全的心肺支持功能，发挥更好的救治效果。