應用背景

離體心臟灌流技術的發展，極大的推動了心臟生理學和藥理學的發展，構建了心臟研究的基礎工作。該技術發展以來具有了眾多的應用和變化，本篇文章綜述了離體心臟灌流技術的發展和優劣，提供了一種獨特的心臟灌流解決方案以及使用案例。
19世紀中后期，離體心臟灌流技術最早出現于Elias Cyon對蛙心的離體灌注實驗，后由Oscar Langendorff完善和發展，目前應用最廣泛的灌流技術——Langendorff也有此而來。離體心臟灌流技術的應用，導致了一系列重要的發現，形成了我們理解心臟生理學的基礎，包括溫度、氧和鈣離子對心臟收縮功能的作用、心房中心臟電活動的來源、迷走神經刺激的負性變時效應以及乙酰膽堿在迷走神經中脈沖的化學傳遞等，極大地促進了心功能病理機理和藥理毒理等的研究，推動了心臟相關研究朝著一個新的高度發展。

心臟冠狀動脈循環

離體心臟灌流技術發展而來，具有了眾多變化，但其基本原理未發生改變。都是通過對升主動脈插入插管，將灌注液以恒壓或恒流的方式灌注進入心臟；主動脈的逆行血流關閉了主動脈瓣的瓣葉，因此，整個灌注液通過主動脈根部的口進入冠狀動脈；灌注液通過冠狀動脈循環后，經冠狀竇進入右心房，實現對心臟功能的維持。

心臟解剖及血液流動

心臟冠脈循環示意

隨著實驗需求變化，離體灌流技術發展出多種變化方案，目前應用比較廣泛的主要有三種：Langendorff灌流法、Janicki Working Heart灌流法、Neely Working Heart灌流法。

Langendorff使用示意圖

Langendorff灌流法為逆行灌流，即將灌流液從主動脈灌流入冠脈循環，心室腔可以無灌流液充盈，冠脈循環保證了心臟的正常跳動、代謝、及各種功能的執行，常用于缺血再灌注、藥物篩選等研究。廣泛應用于心臟生理、病理生理、生化代謝、藥物研究等許多方面，近年來更延伸到受體、信號轉導、基因表達調控等許多領域，是心臟研究領域的一項重大進展。

Janicki Working Heart使用示意圖

Janicki Working Heart灌流法是在Langendorff模型基礎上取一充滿液體的小球囊置于左心室，通過插管將小球囊中液體引入一個新的閉合循環通路，由兩個彈性瓣膜控制其單向流動。每次心臟收縮時，球囊會泵出一定量的液體，即每搏輸出量，通過連接流量計或積分儀進行測量。心臟的前后負荷也可通過環路分別控制。此種灌流方式心臟可以正常做功，與生理狀態接近，適用于全心功能研究。

Neely Working Heart使用示意圖

Neely Working Heart灌流法是在Langendorff灌流的基礎上，行肺靜脈插管進入左心房，連接左心房灌流系統，主動脈灌流10min待心臟搏動平穩后行左心房灌流。Neely Working Heart模型可以實現離體心臟可以和在體心臟一樣做功(即起到泵的作用），灌流液從主動脈泵出，完全模擬生理狀態，可以測量心排血量等心功能參數；另外它還可以通過調節左房和左室的壓力和容量得到和在體模型一致的心功能曲線，適合全心功能方面研究。

以上三種方法中，Langendorff依舊是使用最廣泛的灌流方案，其便捷的設計和使用，可以支持大多數心臟功能研究，被廣泛應用于各種研究。
Janicki Working Heart灌流法主要用于測量每搏輸出量和左心室壓力容積曲線。Neely Working Heart則是完全模擬生理狀態，適合全心功能方面的研究。但Neely Working Heart模型技術要求高而且穩定性不足，所以目前仍沒有取代Langerdorff模型的趨勢。

ZH-LGF型離體心臟灌流裝置

01產品簡介

Langendorff離體心臟灌流系統適用于離體哺乳動物心臟灌流（langendorff氏法）和離體心臟冠脈流量（coronaryfilw.cf）的測定。可直接進行恒壓灌流，加上蠕動泵可進行恒流灌流。

02技術指標：

1、可同時灌流2個心臟。

2、可進行恒流恒壓灌流。

3、不銹鋼支架，流量可調。

4、溫度：室溫---- 85℃(ZH型超級恒溫水浴槽)

5、溫度波動度：±0.03℃

6、水槽尺寸：350×220×160mm

7、溫度指示：數字式

8、轉速范圍 1～100rpm 正反轉可逆(蠕動泵)

9、蠕動泵速度分辨率 0.1 rpm

10、調速方式 薄膜按鍵連續調節

11、顯示方式:3位LED顯示當前轉速

12、流量：0.05～290 mL/min

13、外控接口 啟停控制、方向控制、速度控制

（0～5V、0～10V、4～20mA可選）

14、工作環境:溫度0～40℃, 相對濕度 < 80%

15、驅動器尺寸(L×W×H):212×112×142(mm)

16、驅動器重量:2.8Kg

17、防護等級:IP31

03 產品組件

蠕動泵控制單元及壓力控制精度

心臟懸掛裝置

Janicki-type working heart球囊裝置

單通道MAP測量、刺激裝置和MAP放大器

此外，還有心肌收縮傳感器和放大器、刺激器、信號采集主機及軟件以及多種放大器可選。

使用案例

使用案例一

2016年Baghirova等研究了關于核基質金屬蛋白酶MMP2在心臟缺血再灌注后對心肌修復的生物機制及存在位點。基質金屬蛋白酶(MMPs)是一種鋅依賴型蛋白酶，參與了心臟氧化應激損傷引起的細胞內和細胞外基質重塑。細胞內MMP-2在急性心肌缺血再灌注(I/R)損傷的病理生理學中起著核心作用，因為它水解肌鈣蛋白I、肌球蛋白輕鏈1、α-肌動蛋白和肌動蛋白等，從而導致急性收縮功能障礙；但MMP2的產生位點和發生機制尚不明確。

作者通過Janicki Working Heart大鼠離體心臟模型模擬缺血再灌注（I/O）損傷，通過建立添加鄰菲羅啉（MMP抑制劑）I/O模型、未添加鄰菲羅啉I/O模型與空白有氧灌注三組離體心臟模型，研究它們的心功能參數，以及分離的心肌細胞中MMP-2的含量和細胞勻漿對肌鈣蛋白的水解能力的差異，研究了MMP2在心肌細胞中的定位和發生機制。實驗表明：MMP-2存在于心肌細胞的細胞核中，核MMP-2活性的增加是I/R損傷大鼠心臟組織的結果。（Baghirova S, Hughes B G, Poirier M, et al. Nuclear matrix metalloproteinase-2 in the cardiomyocyte and the ischemic-reperfused heart[J]. Journal of molecular and cellular cardiology, 2016, 94: 153-161.）

MMP抑制劑鄰菲羅啉存在或不存在時缺血再灌注(I/R)損傷大鼠離體心臟的功能表現。將離體大鼠心臟作為對照心臟進行有氧灌注75分鐘(AE，黑色)，或進行20分鐘有氧灌注后20分鐘的全局無血流缺血和35分鐘的有氧再灌注，注入100 μM的鄰菲羅啉(I/R + O，藍色)或其載藥(I/R，紅色)。圖中的淺灰色區域表示載具或藥物注入的時間長度，缺血前10分鐘和缺血后10分鐘(注意有氧心臟共接受載具40分鐘)。暗灰色區域代表I/R心臟的全局性無血流缺血。測量的生理參數包括:(A)冠狀動脈流量，(B)心率，(C)左心室壓力，(D)心率和壓力的乘積。(n = 7/組)，*p≤0.05 (I/R vs I/R + O)。

使用案例二

2013年Khobragade等研究了氯喹在兔體內和體外抗心律失常活性評估。作者以氯菲寧為標準促心律失常劑，觀察抗瘧藥氯喹在兔體內α1腎上腺能受體刺激麻醉兔和離體Langendorff兔心臟兩種兔促心律失常模型中的心室復極延長和促心律失常活性。

結果表明：氯氟菌素和氯喹治療的家兔在兩種模型中均表現出多種形式的心律失常。這提高了評估非心臟藥物的抗心律失常潛力的必要性，也提高了開發更安全藥物的必要性。兩種模型都能有效地反映近心律失常的變化，可用于評估候選新藥的促心律失常潛力。（Khobragade S B, Gupta P, Gurav P, et al. Assessment of proarrhythmic activity of chloroquine in in vivo and ex vivo rabbit models[J]. Journal of Pharmacology and Pharmacotherapeutics, 2013, 4(2): 116-124.）

氯氟咪嗪致兔體內心律失常發生率，氯氟咪嗪致兔體內心律失常發生率為PVC、II房室阻滯、VT和TdP，氯喹致兔體內心律失常發生率為PVC、I房室阻滯、II房室阻滯和VF。(a)竇性心律正常。(b)房室傳導阻滯。(c)室性早搏。(d)室性心動過速(e)尖扭轉(TdP)。(f)心室顫動(VF)

氯氟菌和氯喹治療兔離體心律失常發生率分別為PVC、II和III型房室傳導阻滯、VT和TdP (a)竇性心律正常。(b)心室早搏。(c)室性心動過速。(d)二級房室傳導阻滯。(e)三級房室傳導阻滯。(f)頂點扭轉(TdP)

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參考文獻

(1) Skrzypiec-Spring M, Grotthus B, Szel?g A, et al. Isolated heart perfusion according to Langendorff—still viable in the new millennium[J]. Journal of pharmacological and toxicological methods, 2007, 55(2): 113-126.

(2) Bell R M, Mocanu M M, Yellon D M. Retrograde heart perfusion: the Langendorff technique of isolated heart perfusion[J]. Journal of molecular and cellular cardiology, 2011, 50(6): 940-950.

(3) Valentin J P, Hoffmann P, De Clerck F, et al. Review of the predictive value of the Langendorff heart model (Screenit system) in assessing the proarrhythmic potential of drugs[J]. Journal of pharmacological and toxicological methods, 2004, 49(3): 171-181.

(4) Liao R, Podesser B K, Lim C C. The continuing evolution of the Langendorff and ejecting murine heart: new advances in cardiac phenotyping[J]. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2012, 303(2): H156-H167.

(5) Baghirova S, Hughes B G, Poirier M, et al. Nuclear matrix metalloproteinase-2 in the cardiomyocyte and the ischemic-reperfused heart[J]. Journal of molecular and cellular cardiology, 2016, 94: 153-161.

(6) Khobragade S B, Gupta P, Gurav P, et al. Assessment of proarrhythmic activity of chloroquine in in vivo and ex vivo rabbit models[J]. Journal of Pharmacology and Pharmacotherapeutics, 2013, 4(2): 116-124.