5.1 Создание гомеостата
Большинство научных экспериментов используют короткую перфузию изолированных органов, от нескольких часов до суток. Однако появились экспериментальные работы в которых органы во время перфузии сохранялись в течение нескольких дней с максимум в 17 дней для печени (2024) (1). Я думаю, одной из важнейших задач в настоящее время является создание гомеостатической системы для перфузии изолированных органов, которая была бы способна сохранять органы на установке в течение 3-5 дней с соблюдением надлежащих клинических стандартов. Этого времени будет достаточно для использования практически любых методов регенеративной терапии, в том числе клеточной терапии и генотерапии. Взяв этот рубеж мы сможем развивать идею о создание центров сохранения и восстановления органов при каждой крупной больнице и тем самым значительно масштабировать применение перфузии в клинической практике, не только с целью трансплантации, но и лечения органов с последующей реимплантацией, пока пациент находится на искусственной поддержке.
Схемы перфузионной системы
Хотя был разработан широкий спектр протоколов консервации с использованием EVMP для различных органов, все системы перфузии ex vivo состоят из перекрывающихся общих компонентов. Эти компоненты гармонично сочетаются друг с другом, но могут контролироваться по отдельности для обеспечения базовой циркуляции, обеспечивая «почти физиологическое» состояние.
Камера для органов содержит соответствующие органы, соединенные сосудистыми портами с системой перфузии. Орган перфузируется встроенным центробежным или роликовым насосом, который обеспечивает либо непрерывный, либо пульсирующий поток крови через артериальную канюлю притока, в то время как кровь отводится через венозный отток. Резервуар ниже по течению собирает циркулирующий перфузионный раствор, также облегчая оптический контроль достаточного уровня жидкости, чтобы избежать аспирации воздуха. Через систему нагревателя/охладителя перфузионный раствор постоянно темперируется гипо-, субнормо- или скорее нормотермически, в зависимости от основного протокола перфузии. Обогащенный добавками перфузат гарантирует подачу питания, в то время как оксигенатор обеспечивает необходимую оксигенацию и декарбоксилирование перфузата как предварительное условие для достаточного метаболизма клеток.
1_ Long-term normothermic machine preservation of human livers: what is needed to succeed? https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/ajpgi.00257.2021#:~:text=Nutrients%20and%20bile%20salts%2C%20generally,should%20allow%20maintenance%20of%20sterility.
2_ Liver protects neuron viability and electrocortical activity in post-cardiac arrest brain injury. https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44321-024-00140-z
Еще схемы с хорошим описанием
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7008032 / https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39363050/ / https://www.nature.com/articles/s41598-023-39344-7 /https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1008127524001755?via%3Dihub (голова) / https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8670579/ (печень) /
(системы для печени / для сердца / для почки / для лёгких / )
Статьи описывающие принципиальную схему подобных установок 1) «Длительная нормотермическая машинная консервация печени человека: что необходимо для успеха?«, 2) «Длительная нормотермическая перфузия ex situ разделенной печени человека в течение более 1 недели«, 3) «Бесклеточный перфузат с добавлением питательных веществ позволяет проводить четырехдневную ex vivo метаболическую консервацию человеческих почек«; 4) «Нормотермическая перфузия опухолевой печени человека в течение 17 дней с сопутствующей экстракорпоральной очисткой крови: Описание случая«; (1, )
Конечности https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39534373/
Статья|01 сентября 1935 г. АППАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ЦЕЛЫХ ОРГАНОВ К.А. Линдберг (см. архив).
+ (подробно). — посмотреть для создания гомеостата.
Компании занимающиеся созданием перфузионного оборудования
В сфере систем сохранения органов работают более 25 компаний (см. топ)
TransMedics® / XVIVO / OrganOx / Vivoline Medical AB (ВИВОЛ)
Vivoline Medical AB поставляет продукцию для трансплантации твердых органов в Швеции и за рубежом. Компания предлагает Vivoline LS1, систему с маркировкой CE для перфузии легких ex vivo, которая лечит и тестирует легкие вне тела. Ранее компания была известна как Igelösa Transplantation Science AB. Vivoline Medical AB была основана в 2008 году и базируется в Лунде, Швеция. С 14 июля 2016 года Vivoline Medical AB работает как дочерняя компания Xvivo Perfusion AB (publ).
Российские системы: гомеостат 3 / «EX-STREAM» / аппаратнопрограммного комплекса (АПК) для перфузии изолированной донорской печен /
Научные: MappingLab UK (с ютуба) / ADInstruments (видео + на их сайте + их буклет по прибору) / scintica (страница, )_ / hugo-sachs (страница, для ИО, ) / emkatech (страничка, ) /
Аппараты искусственного кровообращения: _ Аппараты искусственного кровообращения для оксигенации. Подача документов 510(k) — окончательное руководство для промышленности и персонала FDA.
Функциональные модули имитирующие работу организма
Модуль имитации сердца и сосудов: (Насосы – Трубка — Давление — Канюляция — Поток -> Сбор информации и описание)
Насос, имитирующий сердце, обеспечивает контролируемый кровоток и давление через трубки (сосуды).
Хотя все системы перфузии ex vivo работают как закрытые системы, порты в различных местах включены для подачи добавок и замены перфузата или сбора образцов.
(имитатор сердечного выброса) создан для обслуживания четырех камерного сердца с двумя контурами. т. е. Имеет два выхода и два входа с контролем давления и температуры и объема кровотока. Причем расходомеры устанавливается на выходе сердца, датчики давления устанавливаются на входе и выходе сердца, а датчик температуры на внутреннем контуре до основных насосов для поддержания заданной температуры раствора. Насосная система должна поддерживать заданные характеристики давления и сердечных пульсаций. В среднем это давления в пределах 0.1Атм и чсс до 200уд/мин (у животных больше). Также этот модуль имеет клапана обеспечивающие работу установки в режиме подготовки к перфузии, когда происходит нагрев и оксигенация систем до заданного уровня. После того, как система готова к ней подключают орган и переключают в режим его поддержания. Тогда клапана переключаются и перфузионная жидкость начинает подаваться в поддерживаемый орган.
+
Their collaboration resulted in the Carrel–Lindbergh Perfusion device, an early perfusion device that was able to keep organs alive ex vivo for weeks and is most appropriately viewed as a precursor to modern machine perfusion technologies.
+
https://americanhistory.si.edu/collections/object/nmah_688713
«Этот перфузионный насос был изобретен летчиком Чарльзом Линдбергом и доктором Алексисом Каррелем, лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине 1912 года за свою работу в области сосудистой хирургии.»
+
+
+
конюли
https://carnamedica.com/Documents/Leaflet_cannulas_for_perfusion_21.07.2023.pdf
Модуль имитации легких: (Оксигенатор – Газоснабжение — > Сбор информации и описание)
Кровь будет проходить через оксигенатор для оксигенации и удаления CO2 в качестве замены легких.
Основная функция это обеспечение раствора кислородом и удаление из раствора углекислого газа. Состоит из реактора оксигенации, датчика контроля кислорода в растворе, циркуляционного насоса обеспечивающего многократный прогон жидкости через реактор, воздушного насоса обеспечивающего циркуляцию насыщенного кислородом воздуха в реакторе, систему подогрева насыщенной кислородом смеси и вентилятора обеспечивающего подогрев реактора от климатической системы
+
https://link.springer.com/article/10.1007/s10439-022-02977-2
https://link.springer.com/article/10.1007/s10439-021-02843-7?fromPaywallRec=false
https://cyberleninka.ru/article/n/znachenie-oksigenatsii-pri-mashinnoy-perfuzii-pochki-i-pecheni
Климатический модуль: (Корпус, температура, влажность, стерильность — > Подробное описание)
Поддерживать заданную температуру надо во всей системе в независимости от ее конфигурации. В этот модуль интегрирован дисплей и органы управления системой перфузии. Диапазон поддерживаемых температур должен быть в пределах от -5“C до +40“C с возможностью задавать циклограмму изменения температур.
Органная ванна для печени: (Движение диафрагмы, кожа — > Подробное описание)
Контейнер (кожа и брюшная полость) обеспечивает стерильную среду.
Имитация физиологического движения диафрагмы приводит к более однородной перфузии, снижению некроза под давлением и улучшению оксигенации, что имеет решающее значение для достижения долгосрочного МП печени.
Органная ванна для мозга: (Движение диафрагмы, кожа — > Подробное описание)
Контейнер (кожа и брюшная полость) обеспечивает стерильную среду.
Накопительный бак для перфузата (- > Подробное описание)
а часть системы состоит из емкости, куда заливается перфузионная жидкость, и куда она сливается после окончания работы установки, датчик контроля минимального объема жидкости .
Модуль имитации почек: (- > Подробное описание)
Отходы будут удаляться искусственной почкой. Искусственная почка также обеспечит стабильную среду для печени, контролируя состав перфузионного раствора.
Модуль имитации печени / печень: ( Подробное описание) особенности кровоснабжения /
Модуль имитации иммунной системы: (- > Подробное описание)
Кровь «промывается» лейкоцитарным фильтром, имитирующим селезенку.
Модуль автоматизации работы системы (Сбор материала и описание) Уравление системой / датчика CDI 500 / Микродиализ при трансплантации органов /
Чтобы поддерживать ex situ изолированную перфузию органа в течение нескольких дней, машина должна быть автоматизирована и контролироваться на расстоянии. По всему контуру расположены датчики, которые будут предоставлять информацию о давлении, потоке, температуре и составе перфузионного раствора для поддержания физиологической среды через автоматизированные контуры обратной связи.
Управление системой. Модули объединены общей шиной rs485 и управляемых основным контроллером.
Контроллер при включении проверяет некоторый набор адресов, если на проверяемом адресе присутствует устройство, то оно предоставляет контроллеру свое меню конфигурации, по средствам которого это устройство можно настроить, а так же включить или выключить его функционирование.
Функционирование установки. При запуске центральный контроллер опрашивает устройства и формирует на экране меню управления. Пользователь может настроить параметры каждого из устройств по средствам этого меню, и сохранить настроенные параметры. Далее при запуске установки достаточно будет просто нажать кнопку старт, чтобы установка начала работать с использованием сохраненных параметров. Кроме меню настроек на дисплее должны отображаться кнопка старт, и текущие параметры системы. После активации кнопки старт, мы запускаем функционирование системы параметры которые находятся в значениях нормы, отображаются зеленым цветом, с отклонениями первого типа желтым, отклонением второго типа красным цветом. Посл того как мы запустили установку, у нас появляются еще кнопка запуска/остановка перфузии органа и кнопка стоп вместо кнопки старт. При этом чтобы остановить перфузию или выключить установку нужно будет дополнительно подтвердить действие в контекстном меню.
При нажатии кнопки старт, запускается система термостабилизации и оксигенации жидкости. После того, как заданные параметры будут достигнуты, загорается индикатор «готов» после подключения органа к системе, можно будет нажать кнопку активирования перфузии, тогда откроются клапана и раствор с заданными параметрами поступит в орган. Для приостановления перфузии можно будет нужно нажать кнопку остановить перфузию и подтвердить выбор. Тогда клапана закроются и система перейдет в режим поддержания температуры. Для полного выключения установки нужно нажать кнопку стоп, по уму при этом надо не только остановить оксигенацию и поддержку температуры, но и обеспечить слив перфузионной жидкости и промывку системы.
Модуль оценки / блок мониторинга (сбор информации об органе и системе, подробнее)
Модуль для работы ИИ (ответ на полученную информацию и описание):
Компьютерный интерфейс функционирует как мозг и центральная нервная система.
Статьи по использованию модели ИИ для анализа данных получаемых от органов на перфузионной системе «Подход машинного обучения к перфузии легких человека ex vivo предсказывает результаты трансплантации и способствует использованию органов«;
Роботизация процесса + операция (сбор информации + наша система) + хирургия
Изолированное сердце.
Изъятие сердца.
Подборка видео по сердцу.
вариант. / https://scintica.com/product/cell-and-isolated-tissue/isolated-heart / Вариант установки./ Вариант установки. / Вариант установки. / Очень простая система / Мышь. / Cardiac EP and Arrhythmogenesis: Intracardiac Neurons Impact | Protocol Preview
Техника коннюляции сердца: Еще вариант. / Коннюлирование морской свинки + часть2 / Коннюлирование. / Общий протокол.
Кролики: https://www.youtube.com/@zeshanhkazm/videos
Крупные модели: https://app.jove.com/v/51671/an-isolated-working-heart-system-for-large-animal-models / статья./ Подборка видео. / Еще система Ex-Vivo Simulator Based on the Principle of a Passive Beating Heart / коннюляция крупного сердца./ An Isolated Working Heart System for Large Animal Models.
Забор кардиомиоцитов: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221501612030409X / видео, / Ещё
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10286737/ Используя представленный здесь протокол, мы добились успешной доставки гена люциферазы светлячка в цельный сердечный трансплантат свиньи с использованием аденовирусных векторов
Генная терапия во время перфузии сердца ex situ : новый рубеж в регенеративной медицине сердца? https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37908499/
Патенты
_ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗОЛИРОВАННОЙ ПЕРФУЗИИ ПЕЧЕНИ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНОГО ИНДЕКСА ПЕРФУЗИИ или тут. ШУМИЛОВ А.В., ОРЛОВ А.Т.
_ Способ перфузии и устройство перфузионной системы для сохранения донорского сердца. (2023)
Акционерное Общество КардиоСистемФарма (RU)
_ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРФУЗИИ ИЗОЛИРОВАННЫХ ОРГАНОВ Лукин С.А., Макеев А.Н., Копин В.И., Моргунов А.Ф. (1985)
_ ТЕРМОСТАТИЧЕСКАЯ КАМЕРА ДЛЯ ПЕРФУЗИИ ИЗОЛИРОВАННОГО СЕРДЦА (2001)
_ Автоматизированное устройство для нормотермической перфузии изолированной донорской печени (2017) Акционерное общество «Научно-производственное объединение «СПЛАВ»
_ СПОСОБ ИЗОЛИРОВАННОЙ ДОЛЕВОЙ РЕТРОГРАДНОЙ ПЕРФУЗИИ ПЕЧЕНИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ (2020)
Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования «Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова» Министерства обороны Российской Федерации (ВМедА) (RU)
Из литературы
_14_ Очевидно, что скоординированные исследовательские цели и лучшее сотрудничество между многими группами, участвующими в этой новой технологии, будут способствовать прогрессу. В заключение, хотя текущие клинические протоколы осуществимы, появляется все больше свидетельств того, что существует потенциал для лучшего определения состава перфузии, в частности, с использованием перфузатов не на основе крови и длительной продолжительности, чтобы оптимизировать органозащитные преимущества EVNP.
Книги
Параметры перфузии изолированных органов / Академия наук CССР. Сибирское отделение. Институт биофизики ; ред. И. И. Гительзон. — Новосибирск : Наука. Сибирское отделение, 1983. — 230 с. : ил.