生理学与病理生理学研究

 

 
自19世纪起,离体器官灌注便成为生理学研究的重要工具。今天,这一技术为肿瘤学、代谢性疾病等研究提供了接近生理状态的实验平台。
 
在肿瘤学研究中,机器灌注可用于评估全身或局部治疗手段——无论是健康器官还是患病器官,包括因不符合移植标准而被弃用的移植物,或肿瘤切除后的组织[1,3,4]。研究者可在可控条件下评估化学消融、射频消融、经动脉化疗栓塞等技术的剂量与疗效关系,以及常规化疗药物的局部作用,为减少全身副作用提供参考[6]

隔离灌注化疗研究

 
 
将器官与体循环隔离后进行高剂量化疗,有望在提升疗效的同时,避免全身性副作用。
 
机器灌注为接受大剂量化疗的患者提供了体外治疗的可能。将器官移出体外、连接灌注回路进行治疗,再重新植入体内——这一方法从根本上消除了药物全身渗漏的风险,允许更精确的剂量控制[5]。治疗结束后,化疗药物可被清除,重新植入时仅有极微量进入体循环。
 
此外,机器灌注可同时实现局部热疗(通常38-42℃),热疗本身具有直接抗肿瘤作用,并能增强药物疗效[2]。同时,灌注系统可精准给予抗炎、抗氧化药物,减轻化疗引发的器官炎症与损伤——例如顺铂诱导的肝脏毒性,已有研究表明机器灌注的抗氧化特性可缓解此类损伤[2,7]

  

临床前药物测试

 
 
离体器官灌注模型,有望弥合传统动物实验与临床试验之间的鸿沟,提高药物预测准确性。
 
废弃人体器官的常温机器灌注模型,为研究特定疾病状态(如肝硬化)下的药物代谢提供了独特平台[8]。针对器官功能障碍程度精确调整药物剂量,是当前临床前研究的难点,而器官灌注模型为此提供了可行方案。
 
 

离体肿瘤切除手术研究

 

 

将器官移出体外、切除肿瘤后重新植入,为复杂解剖位置的肿瘤提供根治性切除可能。

 

非原位肿瘤切除技术最早于20世纪70年代应用于无法手术的肝肿瘤[2,9–14]。当肿瘤邻近主要血管或胆管、需复杂重建时,体外手术提供了无限制的视野和操作空间。研究显示,复杂肝脏恶性肿瘤的体外切除,R0切除率可达93.4%[15]

 

机器灌注技术的引入,显著延长了体外手术的安全窗口,同时减轻了缺血再灌注损伤。该技术已成功应用于晚期中央型肺癌的肺叶保留手术、心脏肿瘤切除等领域

体外器官支持系统

 

 

将同种或异种肝脏与患者循环系统连接,为急性肝功能衰竭患者争取自身恢复或等待移植的时间。

 

这一理念源于生物人工肝的研究。将完整肝脏(同种异体或异种)与患者循环连接,可作为急性肝功能衰竭的桥梁疗法,为患者自身肝脏修复或等待合适供体争取时间

 

 

基因治疗与生物工程

 

 

在器官离体灌注期间进行基因修饰,可克服全身基因治疗的靶向与免疫挑战。

 

在机器灌注过程中进行基因治疗,可实现对目标器官的精准递送,避免全身暴露与免疫激活。病毒载体(慢病毒、腺病毒、腺相关病毒)与非病毒载体(细胞外囊泡、纳米颗粒等)均可通过灌注系统高效递送。CRISPR-Cas9等基因编辑工具已可在离体器官中实现靶向DNA修饰[16]

 

当前,全身性腺相关病毒(AAV)介导的基因治疗虽在代谢性遗传病中展现前景,但免疫反应与肝脏内不均一表达仍是挑战。离体灌注可规避这些问题:治疗药物直接输送至隔离器官,最大限度减少全身暴露。未来,在自体器官移植前应用基因治疗纠正遗传缺陷,或可减少对供体器官的依赖。

细胞治疗与再生医学研究

 

 

在灌注期间输注健康细胞或干细胞,修复受损组织或调节免疫反应。

 

Sampaziotis等人使用胆道类器官,在常温机器灌注期间修复了DCD肝移植中受损的胆管[17]。间充质干细胞(MSCs)因其抗炎与诱导耐受特性,可在灌注期间输注以减轻缺血再灌注损伤或预防排斥反应。CAR-T细胞也可被改造以靶向特定免疫途径。

 

翟等人展示了在多器官灌注期间细胞治疗的一项进展:成功将同一供体的胰岛细胞移植给接受肝移植的糖尿病患者,改善了胰岛获取的流程与潜在的免疫学结果[18]

外科培训与教育

 

 

机器灌注恢复器官血液循环,为外科医生提供接近生理状态的手术环境。

 

相比标本、离体模拟器或虚拟现实,机器灌注模型能模拟真实术中事件如出血或胆漏等

 

 

引用文献

 

 

1. Y. Tang, J. Li, T. Zhang, et al., “The Establishment of Diseased Human Whole Organ Model by Normothermic Machine Perfusion Technique: Principle of Concept,” Artificial Organs 48, no. 9 (2024): 997–1007.

 

2. J. Iske, A. Schroeter, S. Knoedler, et al., “Pushing the Boundaries of Innovation: The Potential of Ex Vivo Organ Perfusion From an Interdis- ciplinary Point of View,” Frontiers in Cardiovascular Medicine 10 (2023): 1272945.

 

3. R. Todd, L. van Leeuwen, M. Holzner, et al., “Normothermic Ma- chine Perfusion of Explanted Livers: Exploratory Study of an Alterna- tive Translational Model for End-­ Stage Liver Disease,” Artificial Organs (2024).

 

4. J. P. Villeneuve, P. M. Huet, L. Gariepy, et al., “Isolated Perfused Cir- rhotic Human Liver Obtained From Liver Transplant Patients: A Feasi- bility Study,” Hepatology 12 (1990): 257.

 

5. J. Hefler, B. A. Marfil-­ Garza, N. Dadheech, and A. M. J. Shapiro, “Machine Perfusion of the Liver: Applications Beyond Transplanta- tion,” Transplantation 104, no. 9 (2020): 1804–1812.

 

6. R. Czymek, D. Dinter, S. Löffler, et al., “Electrochemical Treatment: An Investigation of Dose-­ Response Relationships Using an Isolated Liver Perfusion Model,” Saudi Journal of Gastroenterology 17 (2011): 335–342.

 

7. B. G. Bruinsma, G. V. Sridharan, P. D. Weeder, et al., “Metabolic Pro- filing During Ex Vivo Machine Perfusion of the Human Liver,” Scien- tific Reports 6 (2016): 22415.

 

8. L. J. Stevens, J. Dubbeld, J. B. Doppenberg, et al., “Novel Explanted Human Liver Model to Assess Hepatic Extraction, Biliary Excretion and Transporter Function,” Clinical Pharmacology and Therapeutics 114, no. 1 (2023): 137–147.

 

9. J. Iske, C. A. Hinze, J. Salman, A. Haverich, S. G. Tullius, and F. Ius, “The Potential of Ex Vivo Lung Perfusion on Improving Organ Quality and Ameliorating Ischemia Reperfusion Injury,” American Journal of Transplantation 21, no. 12 (2021): 3831–3839, https:// doi. org/ 10. 1111/ ajt. 16784 .

 

10. R. Zulpaite, P. Miknevicius, B. Leber, K. Strupas, P. Stiegler, and P. Schemmer, “Ex-­ Vivo Kidney Machine Perfusion: Therapeutic Poten- tial,” Frontiers in Medicine 8 (2021): 808719, https:// doi. org/ 10. 3389/ fmed. 2021. 808719.

 

11. M. MacConmara, C. A. Feizpour, A. Shubin, and P. A. Vagefi, “The Role of Machine Perfusion in Liver Xenotransplantation,” Current Opinion in Organ Transplantation 25 (2020): 477–482, https:// doi. org/ 10. 1097/ MOT. 00000 00000 000799.

 

12. E. Forni and F. Meriggi, “Bench Surgery and Liver Autotransplanta- tion. Personal Experience and Technical Considerations,” Il Giornale di Chirurgia 16 (1995): 407–413.

 

13. T. Kato, R. Hwang, P. Liou, et al., “Ex Vivo Resection and Autotrans- plantation for Conventionally Unresectable Tumors—An 11year Single Center Experience,” Annals of Surgery 272 (2020): 766–772.

 

14. M. Zawistowski, J. Nowaczyk, M. Jakubczyk, and P. Domagała, “Outcomes of Ex Vivo Liver Resection and Autotransplantation: A Systematic Review and Meta-­ Analysis,” Surgery 168 (2020): 631–642, https:// doi. org/ 10. 1016/j. surg. 2020. 05. 036.

 

15. E. Gringeri, P. Auricchio, L. Perin, et al., “A Translational Approach to Standardization of Machine Perfusion Adoption in Ex Vivo Liver Re- section,” Annals of Surgical Oncology 27, no. 6 (2020): 1919, https:// doi. org/ 10. 1245/ s1043 4- 019- 08163 - 4.

 

16. J. A. Doudna and E. Charpentier, “The New Frontier of Genome En- gineering With CRISPR-­ Cas9,” Science 346, no. 6213 (2014): 1258096.

 

17. F. Sampaziotis, D. Muraro, O. C. Tysoe, et al., “Cholangiocyte Or- ganoids Can Repair Bile Ducts After Transplantation in the Human Liver,” Science 371, no. 6531 (2021): 839–846.

 

18. Q. Zhao, J. Li, Z. Lin, et al., “The First Case of Intra-­ Portal Islet Im- plantation During Liver Machine Perfusion Allowing Simultaneous Islet-­ Liver Transplantation in A Human: A New and Safe Treatment for End-­ Stage Liver Disease Combined With Diabetes Mellitus,” Annals of Surgery 281, no. 2 (2024): 177–184.