Установка для перфузии изолированного сердца по лангендорфу

Установка для перфузии изолированного сердца по лангендорфу

Реферат

Изобретение относится к медицине и биологии, а именно к исследовательским приборам, и может быть использовано для изучения функционального состояния миокарда в экспериментальной практике.

Использование установок для перфузии на изолированном сердце позволяет решить ряд важных задач таких, как:

- доклиническая оценка влияния новых лекарственных средств сократительную способность миокарда, тонус коронарных сосудов, метаболизм миокарда, частоту сердечных сокращений и электрофизиологические параметры сердечной мышцы;

- изучение биохимических показателей миокарда и оттекающего от сердца перфузата в норме и при различных патологических процессах (ишемии-реперфузии, сахарном диабете и др.);

разработка способов консервации и хранения сердечного трансплантанта;

- и многие другие задачи.

Современные подходы к тестированию эффективности и безопасности лекарственных средств в ходе физиологического и фармакологического эксперимента предполагают полную автоматизацию процесса сбора, мониторинга и анализа получаемой информации о функциональном состоянии системы кровообращения. Этим требованиям отвечают немногие зарубежные аналоги.

Известны две установки для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу, одну из которых Langendorff / Working Heart Systems (http.//www.tse-systems.com/isolated-organs/isolated-organs.htm), выпускает компания TSE Systems International Group (США), а другую установку. Langendorff Systems / Constant Pressure or Flow (http://www.admstruments.com/products/hardware/pharma/Research*Systems/Isolated*Organ*Systems/), аналогичную первой и выбранную в качестве прототипа к заявляемой установке, выпускает компания AD Instruments (Австралия).

Известная установка для перфузии изолированного сердца компании AD Instruments (Австралия) состоит из основного герметично закрывающегося цилиндрического плексигласового сосуда, в который помещен трубчатый электронагревательный элемент, два внутренних закрывающихся изолированных плексигласовых резервуара для перфузата, датчик давления для контроля уровня перфузионного давления, датчик температуры, датчик уровня жидкости и отводной клапан. Наличие двух резервуаров для перфузата позволяет подавать к сердцу перфузат различного состава,

Перфузат подается во внутренние резервуары перистальтическим роликовым насосом с регулируемой производительностью. На наружной поверхности основного сосуда имеется штанговое подвижное крепление для термостатируемой камеры, в которую помещается сердце, и ее крышки (или соединительного блока). Устойчивость всей системы на горизонтальной поверхности обеспечивается за счет центральной цилиндрической стойки, являющейся одновременно осью для перемещения камеры для сердца и ее крышки, и двух боковых стоек.

Нагревание подаваемого к сердцу перфузата производится за счет теплопередачи между жидкостью, находящейся во внешнем контуре основного сосуда и трубками, подающими перфузат к сердцу. Для повышения эффективности теплообмена в основном сосуде и в крыщке камеры для сердца Нагревающая жидкость проходит по катушке с большим количеством витков. Нагрев жидкости во внешнем контуре основного сосуда происходит за счет электронагревательного элемента,, соединенного с электронным блоком управления посредством разъема, помещенного на наружной поверхности основного сосуда.

Насыщение перфузата кислородом происходит отдельно в каждом резервуаре для перфузата за счет распыления газа через распылитель, связанный с магистралью, идущей от газового баллона с редуктором.

Контроль перфузионного давления в системе осуществляется за счет датчика давления, помещенного в резервуар для перфузата, связанного с мостовым усилителем и контроллером перфузионного насоса. При превышении давления в системе происходит уменьшение производительности насоса и наоборот, то есть действует принцип обратной связи.

Известная установка позволяет осуществлять регистрацию давления в левом желудочке путем помещения в него баллончика на тонкой гибкой канюле, связанного с датчиком давления, мостовым усилителем и аналого-цифровым преобразователем Известная установка снабжена системой регистрации температуры перфузата и непосредственно сердца, включающей температурный датчик на основе термопары, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, а также системой для регистрации электрокардиосигнала, включающей три контактных электрода, усилитель и аналого-цифровой преобразователь.

Для мониторинга гемодинамических показателей температуры перфузата и электрокардиосигнала применяется лицензированное программное обеспечение PowerLab, совместимое с операционной системой Windows ХР.

К недостаткам прототипа, а также и первого аналога следует отнести то, что:

- установка рассчитана на проведение эксперимента только на одном изолированном сердце, что ограничивает ее функциональные возможности;

- поддержание постоянного уровня давления в системе происходит за счет технически сложной системы отрицательной обратной связи между резервуаром перфузата и перистальтическим насосом;

- размещение большого числа функциональных элементов (резервуары для перфузата, нагревательный элемент, датчик контроля перфузионного давления, теплообменные катушки для нагревания перфузата, распылители и другие элементы.) в основном сосуде, затрудняет ее эффективную очистку и деконтаминацию в промежутках между экспериментами. Необходимость частой разборки и сборки этой системы увеличивает риск поломки основных узлов, что снижает надежность работы установки в целом.

- клеевые соединения, обеспечивающие изоляцию резервуаров для перфузата от внешнего сонтура, содержащего жидкость, в процессе эксплуатации утрачивают герметичность, что приводит к смешиванию перфузата с жидкостью и получению некорректных данных;

- распыление газовой смеси, содержащей кислород, производится в резервуаре для перфузата, имеющем относительно небольшую высоту (25 см.), что препятствует эффективному насыщению перфузата кислородом в отсутствие мембранного оксигенатора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей установки для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу, упрощение ее конструкции и повышение эксплуатационной надежности.

Для достижение технического результата в установку для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу, содержащую перфузионную колонку с отводами, датчик для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления, систему регистрации электрокардиосигнала, включающая в себя последовательно соединенные усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, согласно изобретению дополнительно введены N-1 перфузионных колонок с дополнительным отводом в каждой из колонок, N сосудов для сердца с отводами, N-1 датчиков для регистрации сердечного ритма и контроля внутрижелудочкового давления, жидкостный циркуляционный термостат, буферный сосуд для перфузионного раствора, перистальтический насос и N барбатеров, которые помещены в перфузионные колонки и соединены через редуктор с баллоном для карбогена, причем перфузионные колонки и сосуды для сердца, снабжены рубашками поддержания температуры перфузата, через боковые отводы которых, начиная с первого сосуда для сердца, соединеного с жидкостным циркулярным термостатом последовательно в каждую перфузионную колонку поступает вода, при этом один из боковых отводов рубашки N-ой перфузионной колонки соединен с жидкостным циркулярным термостатом, образуя таким образом замкнутый контур поддержания температуры перфузата, который поступает из буферного сосуда через перистальтический насос параллельно в каждую перфузионную колонку через соответствующий боковой отвод, другой боковой отвод каждой перфузионной колонки соединен с буферным сосудом, образуя также замкнутый контур перфузии, а датчики для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления подключены через усилитель и аналого-цифровой преобразователь к компьютеру, а другим концом каждый из датчиков подключен к сердцу, находящемуся в соответствующем ему сосуде для сердца, при этом к каждому сердцу подведена канюля аортная, соединенная с отводом для подачи перфузата соответствующей перфузионной колонки.

Технический результат достигается также и тем, что перфузионные колонки и сосуды для сердца выполнены из термостойкого химического стекла.

По сравнению с известными аналогами предлагаемое техническое решение позволяет:

- Расширить функциональные возможности за счет использования N параллельно установленных перфузионных колонок, выполненных с отводами для подачи и слива, как жидкости для поддержания температуры перфузата, так и самого пефузата, и N сосудов для сердца, имеющих так же отводы. Кроме того, перфузионные колонки и сосуды для сердца помещены в рубашки для поддержания температуры перфузата, также имеющие боковые отводы Именно такое выполнение перфузионных колонок и сосудов для сердца позволило в совокупности с другими элементами установки получить замкнутые контуры поддержания температуры перфузата и подачи перфузата в колонки. Во-первых, это дает возможность проводить эксперименты одновременно на нескольких объектах исследования, что значительно повышает производительность работы. Во-вторых, исключить ряд элементов, таких как, нагревательный элемент и теплообменные катушки для нагревания перфузата, датчик контроля перфузионного давления, датчик уровня жидкости, что существенно упрощает конструкцию и повышает ее надежность. Это объясняется тем, что в предлагаемой установке функции нагревательных элементов выполняет стандартный, серийно выпускаемый, жидкостный циркуляционный термостат, а за счет увеличения высоты перфузионных колонок отпала необходимость в функциях датчика уровня жидкости и датчика контроля перфузионного давления. Так уровень жидкости в предлагаемой установке обеспечивается высотой перфузионной колонки (высота перфузионных колонок значительно увеличина), то есть лишняя жидкость сливается самотеком по замкнутому контуру поддержания температуры, необходимое же перфузионное давление обеспечивается гидростатическим столбом перфузионного раствора, который также зависит от высоты перфузионной колонки, а избыток подаваемого в перфузионные колонки раствора сливается через соответствующие отводы в буферный сосуд и возвращается по замкнутому кругу при помощи перистальтического насоса.

Такая конструкция обеспечивает непрерывную бесперебойную работу установки благодаря автоматическому термостатированию всех сосудов и питанию перфузионным раствором.

- Повысить надежность работы установки позволяет также исключение клеевых соединений. В предлагаемой установке перфузионные колонки выполнены цельными в виде цилиндров из термостойкого химического стекла, так же из термостойкого химического стекла выполнены и сосуды для сердца.

- обеспечить эффективное насыщение перфузата кислородом путем погружения в перфузионные колонки барбатеров на глубину 500 мм. Получение этого эффекта стало возможным также за счет увеличения высоты перфузионных колонок.

В результате этого можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение обеспечивает достижение поставленной задачи, выражающейся в расширении функциональных возможностей установки для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу, упрощении ее конструкции и повышении эксплуатационной надежности.

Предлагаемая установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфуспректирована, изготовлена и испытана в ФГБУ «ФЦСКЭ им. В.А. Алмазова» Минздравсоцразвития России и ООО «Кардиопротект» в г.Санкт-Петербург. Установка успешно прошла испытания и соответствует техническому заданию. Таким обюразом, предлагаемое техническое решение является новым и промышленно применимым.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу.

Предлагаемая установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу (см. фигуру) содержит установленные параллельно перфузионные колонки 1¹…1^N, сосуды для сердца 2¹…2^N, датчики для регистрации сердечного ритма и контроля внутрижелудочкового давления 3¹…3^N, барбатеры 4¹…4^N, помещенные в перфузионные колонки 1¹…1^N, клапаны 5¹…5^N, жидкостный циркулярный термостат 6, буферный сосуд 7, перистальтический насос 8, систему регистрации электрокардиосигнала 9, включающую в себя последовательно соединенные многоканальный усилитель 10, аналого-цифровой преобразователь 11 и компьютер 12, редуктор 13 с баллоном для карбогена 14, объект исследования (сердце) 15¹…15N. Перфузионные колонки 1¹…1^N и сосуды для сердца 2¹…2^N, помещены в рубашки поддержания температуры перфузата 16¹…16^N и 17¹…17^N соответственно, Перфузионные колонки 1¹…1^N имеют боковые отводы 18¹…18^N для наполнения их перфузатом и боковые отводы 19¹…19^N для слива перфузата и отводы 20¹…20^N для подачи перфузата к сердцу 15¹…15^N. Рубашки 16¹…16^N перфузионных колонок и 17¹…17^N сосудов для сердца также имеют боковые отводы 21¹…21^N, 22¹…22^N и 23¹…23^N, 24¹…24^N соответственно.

Установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу работает следующим образом.

Жидкостный циркулярный термостат 6, предназначенный для термостатирования перфузионных колонок 1¹…1^N и сосудов для сердца 2¹…2^N, нагревает воду и подает в первую перфузионную колонку 1¹ по силиконой трубке через первый сосуд для сердца 2¹, затем из первой перфузионной колонки 1¹ через второй сосуд для серца 2² вода поступает во вторую перфузионную трубку 1 и так последовательно вода проходит через все сосуды для сердца 2¹…2^N, их отводы 23¹…23^N, 24¹…24^N, отводы 21¹…21^N, 22¹…22^N в рубашке перфузионных колонок до последней перфузионной колонки 1 м из которой через боковой отвод 22^N вода возвращается в жидкостный циркулярный термостат 6. Таким образом осуществляется замкнутая циркуляция подогретой дозаданной температуры воды и термостатирование всех сосудов для серца. Сами перфузионные колонки наполняются перфузионным раствором 1¹…1^N из буферного сосуда 7, через перистальтический насос 8, который подает раствор по силиконовым трубкам параллельно во все перфузионные колонки 1¹…1^N через отводы 18¹…18^N. Излишки раствора вытекают из перфузионных колонок колонок 1¹…1^N через отводы 19¹…19^N, образуя таким образом также замкнутый контур перфузии и обеспечивая постоянное давление перфузии. Через отводы 20¹…20^N с имеющимися на них клапанами 5¹…5^N, и аортную канюлю перфузионный раствор поступает на объекты исследования 15¹…15^N, к которым подключены датчики для регистрации сердечного ритма и контроля внутрижелудочкового давления 3¹…3^N, Показания с датчиков 3¹…3^N поступают для обработки через многоканальный усилитель 10 и аналого-цифровой преобразователь 11 в компьютер 12.

Процесс оксигинации осуществляется путем погружения барбатеров 4¹…4^N в перфузионные колонки 1¹…1^N, на глубину 500 мм, что обеспечивает более полное насыщение килородом. Барбатеры 4¹…4^N соединены через редуктор 13 с баллоном 14 для карбогена.

Использование установки можно пояснить на примере изучения противоишемического эффект ишемического прекондиционирования миокарда. Эксперименты выполнены на 20 крысах-самцах линии Вистар массой 250-300 г. Под глубоким нембуталовым наркозом производили вскрытие грудной клетки и изъятие сердца, которое присоединяли к аортальной канюле установки. Перфузию осуществляли модифицированным раствором Кребса-Хенселейта. В контроле (n=10) воспроизводили глобальную ишемию в течение 30 минут путем прекращения поступления перфузата к сердцу, после чего осуществляли 90-минутную реперфузию. В группе ишемического прекондиционирования перед глобальной ишемией создавали 3 эпизода 5-минутной ишемии, разделенные 5-минутными эпизодами реперфузии. Регистрировали частоту сердечных сокращений, коронарный поток, пульсовое и диастолическое давление в левом желудочке. Результаты приведены в таблице

Гемодинамические показатели изолированного сердца до и после глобальной ишемии в контроле и при использовании ишемического прекондиционирования отражены в таблице.

Таблица
	Частота сердечных сокращений, уд./мин	Коронарный поток, мл/мин	Диастолитическое давление в левом желудочке, мм рт.ст.	Пульсовое давление в левом желудочке, мм рт.ст.
Контроль
До ишемии	285±23	9,0±1,5	6,5±1,8	122±17
30 минут реперфузии	189±34	3,3±1,3	86±16	25±9
60 минут реперфузии	191±26	4,1±1,9	72±14	32±11
90 минут реперфузии	267±12	5,3±2,2	69±12	45±14
Прекондиционирование
До ишемии	281±15	10,1±2,5	8,84±1,2	118±16
30 минут реперфузии	219±28	4,9±1,8	46±26	56±12*
60 минут реперфузии	228±11	4,6±1,5	24±9*	68±14*
90 минут реперфузии	247±19	4,3±1,2	18±5*	79±21*
Примечание: р<0,05 в сравнении с контролем

Приведенные данные подтверждают принципиальную возможность использования установки для тестирования кардиопротективной эффективности различных воздействий.

Заявитель просит рассмотреть представленные материалы заявки «Установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу» на предмет выдачи патента РФ на изобретение

1. Установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу, содержащая перфузионную колонку с отводами, датчик для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления, систему регистрации электрокардиосигнала, включающая в себя последовательно соединенные усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены N-1 перфузионных колонок с дополнительным отводом в каждой из колонок, N сосудов для сердца с отводами, N-1 датчиков для регистрации сердечного ритма и контроля внутрижелудочкового давления, жидкостный циркуляционный термостат, буферный сосуд для перфузионного раствора, перистальтический насос и N барбатеров, которые помещены в перфузионные колонки и соединены через редуктор с баллоном для карбогена, причем перфузионные колонки и сосуды для сердца снабжены рубашками поддержания температуры перфузата, через боковые отводы которых, начиная с первого сосуда для сердца, соединеного с жидкостным циркулярным термостатом, последовательно в каждую перфузионную колонку поступает вода, при этом один из боковых отводов рубашки N-й перфузионной колонки соединен с жидкостным циркулярным термостатом, образуя таким образом замкнутый контур поддержания температуры перфузата, который поступает из буферного сосуда через перистальтический насос параллельно в каждую перфузионную колонку через соответствующий боковой отвод, другой боковой отвод каждой перфузионной колонки соединен с буферным сосудом, образуя также замкнутый контур перфузии, а датчики для регистрации сердечного ритма и внутрижелудочкового давления подключены через усилитель и аналого-цифровой преобразователь к компьютеру, а другим концом каждый из датчиков подключен к сердцу, находящемуся в соответствующем ему сосуде для сердца, при этом к каждому сердцу подведена канюля аортная, соединенная с отводом для подачи перфузата соответствующей перфузионной колонки.

2. Установка для перфузии изолированного сердца по Лангендорфу по п.1, отличающаяся тем, что перфузионные колонки и сосуды для сердца выполнены из термостойкого химического стекла.