体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）技术是治疗严重心肺衰竭患者重要的生命支持方式。建立稳定的ECMO动物模型有助于深入探究ECMO对机体的影响，为临床上ECMO管理策略的优化和并发症防治提供帮助。近年来，大鼠因其价格低廉、重复性好等优点被广泛用于ECMO实验模型的建立。因此本文就ECMO大鼠模型的相关文献进行综述，旨在对ECMO大鼠模型的环路设备、围实验期管理策略等进行全面总结，为后续建立更为稳定、成熟的ECMO大鼠模型提供理论基础。
引用本文： 王添隆, 闫伟东, 吉冰洋. 大鼠体外膜肺氧合实验动物模型研究新进展. 中国胸心血管外科临床杂志, 2024, 31(6): 915-921. doi: 10.7507/1007-4848.202305012 复制
体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）由术中体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）技术发展而来，可以长时间全部或部分替代心肺功能，是严重心肺衰竭患者重要的生命支持治疗方式[1-2]。通过建立稳定的ECMO动物模型，可深入研究ECMO对机体的影响，对临床上优化ECMO管理策略、减少ECMO相关并发症、改善患者预后等具有重要意义。
目前，国内外学者已经将羊、猪、兔等动物作为ECMO动物模型建立的实验对象[3-5]。近年来，因大鼠解剖结构与人类几乎相同、体积小、成本低、建模过程相对简单、重复性高等优点而被广泛用于ECMO实验模型的建立[6]。但目前ECMO大鼠模型的环路设备、围实验期管理策略等仍需进一步完善。既往有研究[7]对ECMO大鼠模型环路设备进行了归纳总结，但缺少文章系统总结ECMO大鼠模型整体围手术期管理策略。因此本文将对ECMO大鼠模型的相关文献进行综述，重点补充近期大鼠ECMO模型的相关研究，并对ECMO大鼠模型的环路设备、围实验期管理策略、研究现状等进行全面总结，从而为后续建立更为稳定、成熟的ECMO大鼠模型提供可靠的理论依据。
1 体外膜肺氧合大鼠模型基础特征
1.1 实验大鼠的选择
ECMO大鼠模型多采用Sprague-Dawley大鼠，有明确大鼠周龄报道的研究较少，大鼠体重一般控制在300～550 g，符合成年鼠的标准；见表1。成年大鼠抗创伤能力较强，血管条件相对成熟，易于模型的稳定建立。研究纳入的实验鼠大多为雄鼠，原因在于雌鼠存在激素的周期性变化[8]，会对实验结果产生影响，但未来实验有必要纳入雌鼠进行研究以探究ECMO模型在不同性别大鼠的差异。
表1
ECMO大鼠模型基础参数
1.2 围实验期监测
围实验期体温监测方式多为直肠测温，该测温方式简单易行，为大多数实验所采用；见表1。在动脉血压及心率监测方面，22/24G股动脉穿刺监测仍为首选；见表1。部分ECMO大鼠模型由于回流端选择了股动脉，而将监测动脉更换为尾动脉或颈总动脉[14, 17-18, 23]，不选择另一侧股动脉监测的原因可能在于回流端股动脉的泵入血流会在两侧股动脉交汇处影响血压的测定。少数研究[15, 17-18, 23]选择术中经颈动脉至左心室放置容积-压力导管以实时监测心功能。血气分析一般是在实验前根据实验目的确定好监测指标，并合理制定采血量与采血时间以减少血液丢失。
1.3 麻醉及呼吸管理
合理的麻醉方式及适当的麻醉深度是模型建立的基础。目前ECMO大鼠模型大多采用七氟烷/异氟烷吸入麻醉；见表1。吸入麻醉为非有创性麻醉方式，可以通过调节浓度和气流量快速达到所需的麻醉深度，且吸入麻醉可以通过机械通气所需的人工气道实现，无需进行腹腔注射或经静脉注射等额外的给药操作。
大鼠人工气道的建立大多选择经口插入14/16G气管导管，机械通气均采用容量控制通气模式。根据大鼠常规生理特征，呼吸频率设为60～80次/min，潮气量控制在6～10 mL/kg，也有研究[18, 23]依据大鼠体重根据公式推算出具体的呼吸频率和潮气量参数；见表1。各研究间吸入氧浓度差异较大，这与各实验团队的实验条件、实验目的和管理策略不同有关。有研究[16]证实ECMO下高氧管理会造成超氧化物生成增多以诱发肺损伤和全身炎症反应，因此应尽可能避免纯氧或高浓度氧通气管理。
2 体外膜肺氧合大鼠模型建立与管理策略
2.1 体外膜肺氧合回路组成
大鼠ECMO模型简图见图1。ECMO回路主要包括血管内留置导管（引流端与回流端）、血泵、氧合器及连接管路。不同于CPB实现的是心脏手术中短期完全替代心肺功能，ECMO是在重症监护室通过外周插管为严重心脏或呼吸衰竭患者提供长期心肺辅助，因此大鼠ECMO环路不配备回流室及热交换器，整体回路体积小，以实现长时间中、低流量的心肺辅助。血泵的选择上，离心泵虽与滚压泵相比对血液成分破坏较轻，但离心泵在小流量下控制较为困难[31]，不适用于大鼠ECMO回路。目前大鼠ECMO回路均应用小型滚压泵，可匹配较小的连接管路，且能实现小流量下的精准调控。氧合器的选择上，目前的研究大多应用公司自制的微型氧合器，在满足气体交换的需求下尽可能达到较小的预充量。部分研究[15, 25]在引流端到血泵之间连接充满液体的注射器作为储液器，以支持回路运转并在转流时排除回路中产生的气泡；也有研究[10-13, 17-18]直接在回路中连接与大气相连静脉储液器，虽然增加了整体回路预充量，但便于静脉引流。整体回路的连接管路多选择聚氯乙烯或硅胶材质，具有良好的弹性和柔韧性，且血液破坏较少。
图1
ECMO大鼠模型简图（以VA-ECMO模型为例）
VA-ECMO：静脉-动脉ECMO；ECMO：体外膜肺氧合
2.2 外科插管的选择
ECMO模型具体置管血管的选择依据所建立的ECMO类型的不同而改变。在临床上，ECMO的3种主要类型是静脉-动脉ECMO（veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation，VA-ECMO）、静脉-静脉ECMO（veno-venous extracorporeal membrane oxygenation，VV-ECMO）以及专门应用于心肺复苏患者的体外心肺复苏（extracorporeal cardiopulmonary resuscitation，ECPR）[32]。对于VA-ECMO和ECPR这类静脉引流、动脉回流模型，目前相关研究基本都选择右侧颈静脉（颈内或颈外静脉）进行静脉引流，该通路便于置管到右心位置，可达到最佳引流量。仅一项研究[20]，在VA-ECMO模型基础上变化为动脉引流（左颈总动脉），静脉回流（右侧颈外静脉），因该研究为评估一款小型3D打印氧合器对ECMO回路中血液凝血功能的影响，血压高的动脉更易维持流量，故做此调整。静脉留置导管多为自制多侧孔静脉引流管，便于置管后右心房的侧边引流。回流动脉的选择依据研究者的操作习惯、测压动脉的选择等有所差异，但均为外周大动脉血管，包括股动脉、双侧颈动脉和尾动脉。对于VV-ECMO这类静脉引流、静脉回流模型，早期研究大多选择右颈静脉（颈内或颈外静脉）和右股静脉进行置管操作。近期Li等[28]利用自制的多腔静脉套管实现了右颈静脉单静脉置管模式，节省了前期血管分离和置管的手术时间，且贴合临床应用的单管双腔颈静脉置管VV-ECMO技术。部分研究[17-18, 23-24, 28-29]在转机前额外分离股静脉或侧尾静脉等非ECMO回路静脉并置管，以便于术中由游离静脉注射给药。
2.3 体外膜肺氧合管理相关策略
预充液的选择上，常规以晶体液和胶体液为主，可根据抗凝需要添加适量肝素。由于ECMO大鼠模型整体回路的不断优化，总预充量可减少到6～8 mL；见表2。大鼠血容量约为64 mL/kg[33]，低预充量可尽可能避免血液稀释，从而达到安全稳定的无血预充。大多数研究选择一次性静脉注入300～500 IU/kg剂量的肝素实现全身肝素化，也有少数研究选择持续泵入肝素以达到抗凝的目的。临床上ECMO转机前激活全血凝固时间（activated coagulation time，ACT）的参考值为180～200 s[34]，目前较少研究报道大鼠ECMO模型启动转机ACT值，建议参照临床参考值，转机时可定时检测凝血功能指标并及时调整抗凝策略。正常大鼠心排血量为160～180 mL/（kg·min）[15]，大部分研究将转机最大流量设定在大鼠心排血量的50%左右以模拟临床上ECMO部分替代心肺功能以实现心肺辅助；见表2。目前大多研究将ECMO转机时间设置在<3 h，原因可能是现有的大鼠适配氧合器及连接管路的适用性较临床上的ECMO应用设备仍有差距，长时间转机导致大鼠全身炎症反应及血栓并发症的风险较高。有研究[19]显示，在ECMO转机30 min后成年大鼠血液中炎性因子显著上升。为避免长时间转机对大鼠机体造成严重影响，建议结合实验目的进行预实验，摸索较为适宜的ECMO转机时间。为减少大鼠ECMO转机时炎症激活和血栓形成、延长转机时间以及更好地模拟临床上ECMO提供长时间心肺辅助的情形，未来有必要利用更先进的材料制作微型氧合器及配套管路。
表2
ECMO大鼠模型外科插管、回路设备及转机等参数
3 体外膜肺氧合大鼠模型研究现状
现有研究大多围绕各类疾病模型探究ECMO对机体的影响及其病理生理机制，如评估VA-ECMO在心肌梗死大鼠模型中的保护作用[15]、研究VV-ECMO对急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）和急性肺损伤大鼠的保护作用及机制[14, 24, 30]、证实ECPR相较传统心肺复苏对于心跳骤停（cardiac arrest，CA）大鼠有更好的救治效果[9]等。此外也有研究在ECMO模型基础上应用其他干预措施探究其在各类疾病模型中的应用疗效，如在VA-ECMO基础上应用地塞米松可更有效地改善心肌梗死大鼠的心肌预后[22]；注射YTHDF1敲除的巨噬细胞治疗对于VA-ECMO脓毒血症大鼠的脑损伤有保护作用[21]；光疗联合VV-ECMO可增加CO中毒大鼠的CO清除率并改善预后[26]；在CA大鼠ECPR过程中应用fingolimod可有效改善心功能、降低心肌损伤和炎症反应[11]等。
由于ECMO在转机过程中血液会与非生物表面接触，导致炎症反应激活以及血栓形成[35]。目前有研究对此进行了探索，如Edinger等[17]研究了alpha1-antitrypsin在VA-ECMO大鼠模型中抗炎反应的作用以及两种不同小型动物氧合器（Micro-1型与SAMO型）在大鼠VA-ECMO模型中诱导炎症反应的差异。Umei等[20]设计了3D打印的微型氧合器，缩小了ECMO回路体积并将预充量降低至2.5 mL，减少了血液稀释对凝血功能的影响，为后期研究ECMO相关凝血疾病提供了可靠模型。
此外，还有少数研究在ECMO的围术期管理方面进行了探索，如Edinger等[23]研究了在进行VA-ECMO治疗时不同的肺通气吸入氧浓度对心功能的影响，结果显示ECMO期间肺缺氧会导致严重心功能障碍；Fujii等[16]研究了VA-ECMO期间不同动脉血氧分压（partial pressure of oxygen in arterial blood，PaO2）对血清炎症因子水平的影响，结果发现当PaO2>300 mm Hg时会加剧炎症反应和肺损伤；Zhang等[29]证实了在VV-ECMO治疗ARDS大鼠时应用吸入性麻醉药七氟烷较静脉注射丙泊酚可有效减少炎症因子的产生并减轻肺损伤。
4 展望
目前，ECMO大鼠模型的建立已经逐步完善，但在设备及建模细节上仍需改进。未来需建立能尽可能模拟临床实际、持续时间长、创伤小、大鼠术后可长期存活、操作简单、重复性好的ECMO大鼠模型。利用该模型我们可以深入探究ECMO对机体的影响，探讨ECMO结合其他治疗手段的可行性及有效性，探索新型药物等干预措施以减少ECMO并发症等。未来更为完善的ECMO大鼠模型将为临床上ECMO管理策略的优化、相关并发症的防治等提供更有效的帮助。
利益冲突：无。
作者贡献：王添隆检索文献，撰写文章；闫伟东修改文章；吉冰洋制定综述主题。
体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）由术中体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）技术发展而来，可以长时间全部或部分替代心肺功能，是严重心肺衰竭患者重要的生命支持治疗方式[1-2]。通过建立稳定的ECMO动物模型，可深入研究ECMO对机体的影响，对临床上优化ECMO管理策略、减少ECMO相关并发症、改善患者预后等具有重要意义。
目前，国内外学者已经将羊、猪、兔等动物作为ECMO动物模型建立的实验对象[3-5]。近年来，因大鼠解剖结构与人类几乎相同、体积小、成本低、建模过程相对简单、重复性高等优点而被广泛用于ECMO实验模型的建立[6]。但目前ECMO大鼠模型的环路设备、围实验期管理策略等仍需进一步完善。既往有研究[7]对ECMO大鼠模型环路设备进行了归纳总结，但缺少文章系统总结ECMO大鼠模型整体围手术期管理策略。因此本文将对ECMO大鼠模型的相关文献进行综述，重点补充近期大鼠ECMO模型的相关研究，并对ECMO大鼠模型的环路设备、围实验期管理策略、研究现状等进行全面总结，从而为后续建立更为稳定、成熟的ECMO大鼠模型提供可靠的理论依据。
1 体外膜肺氧合大鼠模型基础特征
1.1 实验大鼠的选择
ECMO大鼠模型多采用Sprague-Dawley大鼠，有明确大鼠周龄报道的研究较少，大鼠体重一般控制在300～550 g，符合成年鼠的标准；见表1。成年大鼠抗创伤能力较强，血管条件相对成熟，易于模型的稳定建立。研究纳入的实验鼠大多为雄鼠，原因在于雌鼠存在激素的周期性变化[8]，会对实验结果产生影响，但未来实验有必要纳入雌鼠进行研究以探究ECMO模型在不同性别大鼠的差异。
表1
ECMO大鼠模型基础参数
1.2 围实验期监测
围实验期体温监测方式多为直肠测温，该测温方式简单易行，为大多数实验所采用；见表1。在动脉血压及心率监测方面，22/24G股动脉穿刺监测仍为首选；见表1。部分ECMO大鼠模型由于回流端选择了股动脉，而将监测动脉更换为尾动脉或颈总动脉[14, 17-18, 23]，不选择另一侧股动脉监测的原因可能在于回流端股动脉的泵入血流会在两侧股动脉交汇处影响血压的测定。少数研究[15, 17-18, 23]选择术中经颈动脉至左心室放置容积-压力导管以实时监测心功能。血气分析一般是在实验前根据实验目的确定好监测指标，并合理制定采血量与采血时间以减少血液丢失。
1.3 麻醉及呼吸管理
合理的麻醉方式及适当的麻醉深度是模型建立的基础。目前ECMO大鼠模型大多采用七氟烷/异氟烷吸入麻醉；见表1。吸入麻醉为非有创性麻醉方式，可以通过调节浓度和气流量快速达到所需的麻醉深度，且吸入麻醉可以通过机械通气所需的人工气道实现，无需进行腹腔注射或经静脉注射等额外的给药操作。
大鼠人工气道的建立大多选择经口插入14/16G气管导管，机械通气均采用容量控制通气模式。根据大鼠常规生理特征，呼吸频率设为60～80次/min，潮气量控制在6～10 mL/kg，也有研究[18, 23]依据大鼠体重根据公式推算出具体的呼吸频率和潮气量参数；见表1。各研究间吸入氧浓度差异较大，这与各实验团队的实验条件、实验目的和管理策略不同有关。有研究[16]证实ECMO下高氧管理会造成超氧化物生成增多以诱发肺损伤和全身炎症反应，因此应尽可能避免纯氧或高浓度氧通气管理。
2 体外膜肺氧合大鼠模型建立与管理策略
2.1 体外膜肺氧合回路组成
大鼠ECMO模型简图见图1。ECMO回路主要包括血管内留置导管（引流端与回流端）、血泵、氧合器及连接管路。不同于CPB实现的是心脏手术中短期完全替代心肺功能，ECMO是在重症监护室通过外周插管为严重心脏或呼吸衰竭患者提供长期心肺辅助，因此大鼠ECMO环路不配备回流室及热交换器，整体回路体积小，以实现长时间中、低流量的心肺辅助。血泵的选择上，离心泵虽与滚压泵相比对血液成分破坏较轻，但离心泵在小流量下控制较为困难[31]，不适用于大鼠ECMO回路。目前大鼠ECMO回路均应用小型滚压泵，可匹配较小的连接管路，且能实现小流量下的精准调控。氧合器的选择上，目前的研究大多应用公司自制的微型氧合器，在满足气体交换的需求下尽可能达到较小的预充量。部分研究[15, 25]在引流端到血泵之间连接充满液体的注射器作为储液器，以支持回路运转并在转流时排除回路中产生的气泡；也有研究[10-13, 17-18]直接在回路中连接与大气相连静脉储液器，虽然增加了整体回路预充量，但便于静脉引流。整体回路的连接管路多选择聚氯乙烯或硅胶材质，具有良好的弹性和柔韧性，且血液破坏较少。
图1
ECMO大鼠模型简图（以VA-ECMO模型为例）
VA-ECMO：静脉-动脉ECMO；ECMO：体外膜肺氧合
2.2 外科插管的选择
ECMO模型具体置管血管的选择依据所建立的ECMO类型的不同而改变。在临床上，ECMO的3种主要类型是静脉-动脉ECMO（veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation，VA-ECMO）、静脉-静脉ECMO（veno-venous extracorporeal membrane oxygenation，VV-ECMO）以及专门应用于心肺复苏患者的体外心肺复苏（extracorporeal cardiopulmonary resuscitation，ECPR）[32]。对于VA-ECMO和ECPR这类静脉引流、动脉回流模型，目前相关研究基本都选择右侧颈静脉（颈内或颈外静脉）进行静脉引流，该通路便于置管到右心位置，可达到最佳引流量。仅一项研究[20]，在VA-ECMO模型基础上变化为动脉引流（左颈总动脉），静脉回流（右侧颈外静脉），因该研究为评估一款小型3D打印氧合器对ECMO回路中血液凝血功能的影响，血压高的动脉更易维持流量，故做此调整。静脉留置导管多为自制多侧孔静脉引流管，便于置管后右心房的侧边引流。回流动脉的选择依据研究者的操作习惯、测压动脉的选择等有所差异，但均为外周大动脉血管，包括股动脉、双侧颈动脉和尾动脉。对于VV-ECMO这类静脉引流、静脉回流模型，早期研究大多选择右颈静脉（颈内或颈外静脉）和右股静脉进行置管操作。近期Li等[28]利用自制的多腔静脉套管实现了右颈静脉单静脉置管模式，节省了前期血管分离和置管的手术时间，且贴合临床应用的单管双腔颈静脉置管VV-ECMO技术。部分研究[17-18, 23-24, 28-29]在转机前额外分离股静脉或侧尾静脉等非ECMO回路静脉并置管，以便于术中由游离静脉注射给药。
2.3 体外膜肺氧合管理相关策略
预充液的选择上，常规以晶体液和胶体液为主，可根据抗凝需要添加适量肝素。由于ECMO大鼠模型整体回路的不断优化，总预充量可减少到6～8 mL；见表2。大鼠血容量约为64 mL/kg[33]，低预充量可尽可能避免血液稀释，从而达到安全稳定的无血预充。大多数研究选择一次性静脉注入300～500 IU/kg剂量的肝素实现全身肝素化，也有少数研究选择持续泵入肝素以达到抗凝的目的。临床上ECMO转机前激活全血凝固时间（activated coagulation time，ACT）的参考值为180～200 s[34]，目前较少研究报道大鼠ECMO模型启动转机ACT值，建议参照临床参考值，转机时可定时检测凝血功能指标并及时调整抗凝策略。正常大鼠心排血量为160～180 mL/（kg·min）[15]，大部分研究将转机最大流量设定在大鼠心排血量的50%左右以模拟临床上ECMO部分替代心肺功能以实现心肺辅助；见表2。目前大多研究将ECMO转机时间设置在<3 h，原因可能是现有的大鼠适配氧合器及连接管路的适用性较临床上的ECMO应用设备仍有差距，长时间转机导致大鼠全身炎症反应及血栓并发症的风险较高。有研究[19]显示，在ECMO转机30 min后成年大鼠血液中炎性因子显著上升。为避免长时间转机对大鼠机体造成严重影响，建议结合实验目的进行预实验，摸索较为适宜的ECMO转机时间。为减少大鼠ECMO转机时炎症激活和血栓形成、延长转机时间以及更好地模拟临床上ECMO提供长时间心肺辅助的情形，未来有必要利用更先进的材料制作微型氧合器及配套管路。
表2
ECMO大鼠模型外科插管、回路设备及转机等参数
3 体外膜肺氧合大鼠模型研究现状
现有研究大多围绕各类疾病模型探究ECMO对机体的影响及其病理生理机制，如评估VA-ECMO在心肌梗死大鼠模型中的保护作用[15]、研究VV-ECMO对急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）和急性肺损伤大鼠的保护作用及机制[14, 24, 30]、证实ECPR相较传统心肺复苏对于心跳骤停（cardiac arrest，CA）大鼠有更好的救治效果[9]等。此外也有研究在ECMO模型基础上应用其他干预措施探究其在各类疾病模型中的应用疗效，如在VA-ECMO基础上应用地塞米松可更有效地改善心肌梗死大鼠的心肌预后[22]；注射YTHDF1敲除的巨噬细胞治疗对于VA-ECMO脓毒血症大鼠的脑损伤有保护作用[21]；光疗联合VV-ECMO可增加CO中毒大鼠的CO清除率并改善预后[26]；在CA大鼠ECPR过程中应用fingolimod可有效改善心功能、降低心肌损伤和炎症反应[11]等。
由于ECMO在转机过程中血液会与非生物表面接触，导致炎症反应激活以及血栓形成[35]。目前有研究对此进行了探索，如Edinger等[17]研究了alpha1-antitrypsin在VA-ECMO大鼠模型中抗炎反应的作用以及两种不同小型动物氧合器（Micro-1型与SAMO型）在大鼠VA-ECMO模型中诱导炎症反应的差异。Umei等[20]设计了3D打印的微型氧合器，缩小了ECMO回路体积并将预充量降低至2.5 mL，减少了血液稀释对凝血功能的影响，为后期研究ECMO相关凝血疾病提供了可靠模型。
此外，还有少数研究在ECMO的围术期管理方面进行了探索，如Edinger等[23]研究了在进行VA-ECMO治疗时不同的肺通气吸入氧浓度对心功能的影响，结果显示ECMO期间肺缺氧会导致严重心功能障碍；Fujii等[16]研究了VA-ECMO期间不同动脉血氧分压（partial pressure of oxygen in arterial blood，PaO2）对血清炎症因子水平的影响，结果发现当PaO2>300 mm Hg时会加剧炎症反应和肺损伤；Zhang等[29]证实了在VV-ECMO治疗ARDS大鼠时应用吸入性麻醉药七氟烷较静脉注射丙泊酚可有效减少炎症因子的产生并减轻肺损伤。
4 展望
目前，ECMO大鼠模型的建立已经逐步完善，但在设备及建模细节上仍需改进。未来需建立能尽可能模拟临床实际、持续时间长、创伤小、大鼠术后可长期存活、操作简单、重复性好的ECMO大鼠模型。利用该模型我们可以深入探究ECMO对机体的影响，探讨ECMO结合其他治疗手段的可行性及有效性，探索新型药物等干预措施以减少ECMO并发症等。未来更为完善的ECMO大鼠模型将为临床上ECMO管理策略的优化、相关并发症的防治等提供更有效的帮助。
利益冲突：无。
作者贡献：王添隆检索文献，撰写文章；闫伟东修改文章；吉冰洋制定综述主题。
