应用背景

离体心脏灌流技术的发展，极大的推动了心脏生理学和药理学的发展，构建了心脏研究的基础工作。该技术发展以来具有了众多的应用和变化，本篇文章综述了离体心脏灌流技术的发展和优劣，提供了一种独特的心脏灌流解决方案以及使用案例。
19世纪中后期，离体心脏灌流技术最早出现于Elias Cyon对蛙心的离体灌注实验，后由Oscar Langendorff完善和发展，目前应用最广泛的灌流技术——Langendorff也有此而来。离体心脏灌流技术的应用，导致了一系列重要的发现，形成了我们理解心脏生理学的基础，包括温度、氧和钙离子对心脏收缩功能的作用、心房中心脏电活动的来源、迷走神经刺激的负性变时效应以及乙酰胆碱在迷走神经中脉冲的化学传递等，极大地促进了心功能病理机理和药理毒理等的研究，推动了心脏相关研究朝着一个新的高度发展。

心脏冠状动脉循环

离体心脏灌流技术发展而来，具有了众多变化，但其基本原理未发生改变。都是通过对升主动脉插入插管，将灌注液以恒压或恒流的方式灌注进入心脏；主动脉的逆行血流关闭了主动脉瓣的瓣叶，因此，整个灌注液通过主动脉根部的口进入冠状动脉；灌注液通过冠状动脉循环后，经冠状窦进入右心房，实现对心脏功能的维持。

心脏解剖及血液流动

心脏冠脉循环示意

随着实验需求变化，离体灌流技术发展出多种变化方案，目前应用比较广泛的主要有三种：Langendorff灌流法、Janicki Working Heart灌流法、Neely Working Heart灌流法。

Langendorff使用示意图

Langendorff灌流法为逆行灌流，即将灌流液从主动脉灌流入冠脉循环，心室腔可以无灌流液充盈，冠脉循环保证了心脏的正常跳动、代谢、及各种功能的执行，常用于缺血再灌注、药物筛选等研究。广泛应用于心脏生理、病理生理、生化代谢、药物研究等许多方面，近年来更延伸到受体、信号转导、基因表达调控等许多领域，是心脏研究领域的一项重大进展。

Janicki Working Heart使用示意图

Janicki Working Heart灌流法是在Langendorff模型基础上取一充满液体的小球囊置于左心室，通过插管将小球囊中液体引入一个新的闭合循环通路，由两个弹性瓣膜控制其单向流动。每次心脏收缩时，球囊会泵出一定量的液体，即每搏输出量，通过连接流量计或积分仪进行测量。心脏的前后负荷也可通过环路分别控制。此种灌流方式心脏可以正常做功，与生理状态接近，适用于全心功能研究。

Neely Working Heart使用示意图

Neely Working Heart灌流法是在Langendorff灌流的基础上，行肺静脉插管进入左心房，连接左心房灌流系统，主动脉灌流10min待心脏搏动平稳后行左心房灌流。Neely Working Heart模型可以实现离体心脏可以和在体心脏一样做功(即起到泵的作用），灌流液从主动脉泵出，完全模拟生理状态，可以测量心排血量等心功能参数；另外它还可以通过调节左房和左室的压力和容量得到和在体模型一致的心功能曲线，适合全心功能方面研究。

以上三种方法中，Langendorff依旧是使用最广泛的灌流方案，其便捷的设计和使用，可以支持大多数心脏功能研究，被广泛应用于各种研究。
Janicki Working Heart灌流法主要用于测量每搏输出量和左心室压力容积曲线。Neely Working Heart则是完全模拟生理状态，适合全心功能方面的研究。但Neely Working Heart模型技术要求高而且稳定性不足，所以目前仍没有取代Langerdorff模型的趋势。

ZH-LGF型离体心脏灌流装置

01产品简介

Langendorff离体心脏灌流系统适用于离体哺乳动物心脏灌流（langendorff氏法）和离体心脏冠脉流量（coronaryfilw.cf）的测定。可直接进行恒压灌流，加上蠕动泵可进行恒流灌流。

02技术指标：

1、可同时灌流2个心脏。

2、可进行恒流恒压灌流。

3、不锈钢支架，流量可调。

4、温度：室温---- 85℃(ZH型超级恒温水浴槽)

5、温度波动度：±0.03℃

6、水槽尺寸：350×220×160mm

7、温度指示：数字式

8、转速范围 1～100rpm 正反转可逆(蠕动泵)

9、蠕动泵速度分辨率 0.1 rpm

10、调速方式 薄膜按键连续调节

11、显示方式:3位LED显示当前转速

12、流量：0.05～290 mL/min

13、外控接口 启停控制、方向控制、速度控制

（0～5V、0～10V、4～20mA可选）

14、工作环境:温度0～40℃, 相对湿度 < 80%

15、驱动器尺寸(L×W×H):212×112×142(mm)

16、驱动器重量:2.8Kg

17、防护等级:IP31

03 产品组件

蠕动泵控制单元及压力控制精度

心脏悬挂装置

Janicki-type working heart球囊装置

单通道MAP测量、刺激装置和MAP放大器

此外，还有心肌收缩传感器和放大器、刺激器、信号采集主机及软件以及多种放大器可选。

使用案例

使用案例一

2016年Baghirova等研究了关于核基质金属蛋白酶MMP2在心脏缺血再灌注后对心肌修复的生物机制及存在位点。基质金属蛋白酶(MMPs)是一种锌依赖型蛋白酶，参与了心脏氧化应激损伤引起的细胞内和细胞外基质重塑。细胞内MMP-2在急性心肌缺血再灌注(I/R)损伤的病理生理学中起着核心作用，因为它水解肌钙蛋白I、肌球蛋白轻链1、α-肌动蛋白和肌动蛋白等，从而导致急性收缩功能障碍；但MMP2的产生位点和发生机制尚不明确。

作者通过Janicki Working Heart大鼠离体心脏模型模拟缺血再灌注（I/O）损伤，通过建立添加邻菲罗啉（MMP抑制剂）I/O模型、未添加邻菲罗啉I/O模型与空白有氧灌注三组离体心脏模型，研究它们的心功能参数，以及分离的心肌细胞中MMP-2的含量和细胞匀浆对肌钙蛋白的水解能力的差异，研究了MMP2在心肌细胞中的定位和发生机制。实验表明：MMP-2存在于心肌细胞的细胞核中，核MMP-2活性的增加是I/R损伤大鼠心脏组织的结果。（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抑制剂邻菲罗啉存在或不存在时缺血再灌注(I/R)损伤大鼠离体心脏的功能表现。将离体大鼠心脏作为对照心脏进行有氧灌注75分钟(AE，黑色)，或进行20分钟有氧灌注后20分钟的全局无血流缺血和35分钟的有氧再灌注，注入100 μM的邻菲罗啉(I/R + O，蓝色)或其载药(I/R，红色)。图中的浅灰色区域表示载具或药物注入的时间长度，缺血前10分钟和缺血后10分钟(注意有氧心脏共接受载具40分钟)。暗灰色区域代表I/R心脏的全局性无血流缺血。测量的生理参数包括:(A)冠状动脉流量，(B)心率，(C)左心室压力，(D)心率和压力的乘积。(n = 7/组)，*p≤0.05 (I/R vs I/R + O)。

使用案例二

2013年Khobragade等研究了氯喹在兔体内和体外抗心律失常活性评估。作者以氯菲宁为标准促心律失常剂，观察抗疟药氯喹在兔体内α1肾上腺能受体刺激麻醉兔和离体Langendorff兔心脏两种兔促心律失常模型中的心室复极延长和促心律失常活性。

结果表明：氯氟菌素和氯喹治疗的家兔在两种模型中均表现出多种形式的心律失常。这提高了评估非心脏药物的抗心律失常潜力的必要性，也提高了开发更安全药物的必要性。两种模型都能有效地反映近心律失常的变化，可用于评估候选新药的促心律失常潜力。（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.）

氯氟咪嗪致兔体内心律失常发生率，氯氟咪嗪致兔体内心律失常发生率为PVC、II房室阻滞、VT和TdP，氯喹致兔体内心律失常发生率为PVC、I房室阻滞、II房室阻滞和VF。(a)窦性心律正常。(b)房室传导阻滞。(c)室性早搏。(d)室性心动过速(e)尖扭转(TdP)。(f)心室颤动(VF)

氯氟菌和氯喹治疗兔离体心律失常发生率分别为PVC、II和III型房室传导阻滞、VT和TdP (a)窦性心律正常。(b)心室早搏。(c)室性心动过速。(d)二级房室传导阻滞。(e)三级房室传导阻滞。(f)顶点扭转(TdP)

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参考文献

(1) Skrzypiec-Spring M, Grotthus B, Szeląg 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.