第二章 无缺血器官移植的理念

器官移植作为涵盖医学、药理、法律、伦理等多学科内容的综合学科，是衡量一个国家或地区整体医学实力的主要标准之一，也是社会发展水平及文明程度的重要标志。现今中国综合国力跃居世界第二，各行各业繁荣昌盛。在这样的大时代背景下，我国已具备独立开展各类器官移植技术的能力，移植种类、移植数量及移植疗效已接近或达到世界先进水平，部分器官移植技术已处于世界领先水平。

器官移植从神话变成现实，历经漫长实验探索和临床实践，实现从无到有并逐渐发展。自1954年Joseph Murray实施医学史上第一例同卵双生兄弟肾移植以及1963年Thomas Starzl成功完成世界首例人同种异体肝移植以来，器官移植领域在过去60多年取得了令人瞩目的成就，但是器官移植技术始终存在一个“先天缺陷”，即器官中断血流后再复流导致的缺血再灌注损伤。越是维持生命活动必不可少的重要器官，如心脏和肝脏，对缺血再灌注损伤的耐受性越差。

缺血再灌注损伤是一个由多种因素影响和相互作用引发的复杂的病理生理过程，涉及细胞死亡、ATP耗竭、酸中毒、钙超载、微循环障碍、细胞水肿和炎症因子及免疫系统激活，组织细胞转录水平、蛋白水平和组织微环境都会发生剧烈改变。器官冷缺血保存阶段，缺血、缺氧会引起肝细胞的ATP耗竭、Na+-K+-ATP酶活性下降，从而导致能量相关物质转运障碍，进而导致细胞内外电解质紊乱，细胞内代谢废物堆积。此外，缺血还可以特异性地损伤内皮细胞，这是术后发生血管、胆道并发症的重要原因。器官再灌注初期，冷保存阶段产生的黄嘌呤氧化酶和复流后的供氧结合生成活性氧，会刺激趋化因子、炎症因子释放，募集和激活巨噬细胞和中性粒细胞持续地产生活性氧。活性氧可以导致蛋白质、核苷酸及各类脂质发生过氧化反应，引起一系列损伤，包括核苷酸断裂、细胞膜通透性改变和多种酶失活。此外，还会引起微血管内皮细胞损伤和微循环功能障碍。再灌注后期，被激活的免疫细胞还能直接介导肝损伤。由此可见，缺血再灌注损伤导致移植物出现两次损害，在移植早期，缺血再灌注损伤会引起原发性移植物无功能、移植物功能延迟恢复；在移植后期，还会通过激活炎症相关信号通路诱导急性、慢性排斥或缺血性胆道疾病，影响移植物的长期功能。因此，研究器官缺血再灌注损伤的机制和干预措施已成为器官移植领域经久不衰的热点。多年来科学家们已经作出了很大的努力，力求减轻缺血再灌注损伤，每年多达数千篇论文发表，相关方法包括缺血预处理以增加组织对缺血的耐受性；补充代谢底物使组织在缺血期间维持细胞活力；运用治疗性气体，包括氢气、一氧化氮和一氧化碳；阻断ATP释放或ATP受体信号转导；抑制涉及缺血再灌注损伤的微RNA（microRNA，miRNA）；干细胞和基因治疗方法等。然而，这些方法仍然不能从根本上避免移植器官遭受缺血再灌注损伤。究其原因，以上各种方法和手段并没有解决器官移植的“先天缺陷”——器官在移植过程中不可避免地中断血流。因此，几乎所有研究者都认为缺血再灌注损伤是器官移植必须付出的代价，是理所当然和无法避免的，形成了器官移植领域发展几十年以来的思维定式：器官离体要保持活力，只有通过冷保存降低代谢。从来没有人想过从源头上解决器官移植中血流中断的问题。器官移植领域60多年来的研究，没有根本的突破，缺血再灌注损伤成为现有技术体系无法避免的缺陷。中山大学附属第一医院器官移植中心何晓顺团队结合多年临床实践提出设想：既然器官缺血是缺血再灌注损伤的根本原因，若能做到在移植全程中不中断器官血流，这样就能从根本上避免器官缺血，器官缺血再灌注损伤难题将不攻自破。无缺血器官移植的理念随之而来。但一旦离断血管，如何维持器官血供，如何做到在移植全过程中不中断血流等问题，仍有待解决。

机械灌注是近年来临床应用的器官保存新技术，并取得了良好的效果。机械灌注根据灌注的温度可以分为低温机械灌注（HMP）、低温有氧机械灌注（HOPE）、亚低温机械灌注（subnormothermic machine perfusion，SNMP）、常温机械灌注（normothermic machine perfusion，NMP）。HMP和HOPE的灌注温度是0～10℃，使用无细胞的灌注液在低压下灌注。在现有技术体系下，HMP和HOPE安全性高，因为出现机械故障时，低温对器官仍然可以起到保护作用。但HMP的缺点同样明显，在灌注期间不产生胆汁，无法准确评估脏器功能，对脏器的修复作用也相对有限。相比较而言，SNMP和NMP在亚低温或常温下进行，更符合器官的生理环境，能很好地满足离体器官的代谢活动，在灌注的同时可以通过灌注液的血气分析及成分分析实时评估器官功能，因而比HMP、HOPE更有优势，但NMP灌注液中需要血细胞或红细胞代用品，成本较高，操作相对复杂，对灌注团队的经验要求较高，一旦因为操作失败或机器故障，很容易导致器官遭受热缺血损伤。实际上在器官移植的早期就已经出现了机械灌注的仪器设备和理念，但是由于仪器笨重、不便携、成本高等原因而无法在临床大规模应用。并且随着灌注液和冷保存液的研发，这种低成本和便捷的方法使静态冷保存的方法成为体外器官保存的标准手段，使器官保存运输成为可能，机械灌注保存器官因此暂时不再被临床医师和研究者青睐。但是，器官在这种传统的冷灌注获取、冷保存、冷植入、再灌注复温的移植程序中遭受多次严重的缺血、低温、再灌注的创伤打击，常因为冷保存时间过长、复流后综合征、移植物失功等原因影响移植疗效甚至导致受者死亡。而因为更加不能耐受长时间冷缺血和复流的扩大标准供体的大规模使用，静态冷保存方法的缺陷和局限性更加凸显，于是机械灌注重新获得临床医师和研究者的关注，并逐渐成为研究的热点。相对静态冷保存，机械灌注可以在保存阶段给离体器官提供代谢底物、氧气，带走代谢产物等，并在缩短冷保存时间的同时，保持并可持续监测离体器官的功能状态。再加上医学工程学科的发展进步，再机械灌注仪器设备逐步变得更加便携、稳定可靠的背景下，机械灌注有望成为器官保存的常规方式之一。

近年来，离体机械灌注保存技术在器官移植领域的研究取得了重大进展，在临床实践中是完全可行的。在机械灌注出现的早期，其被用于供体局部的灌注，建立灌注之后可以停止心脏死亡供者的循环支持，可起到减少胆道并发症的作用。在保存和运输阶段的机械灌注称为体外机械灌注，是供肝在冷灌注获取进入冷保存之后，到移植前进行的体外机械灌注，这种灌注方法可以大大缩短冷保存时间，对扩展性供肝有很大的保护作用，甚至可以起修复的作用。在进一步的动物实验和临床试验中，已经证明HOPE可减轻同种异体移植物的缺血再灌注损伤并改善移植预后。最近一项关于DCD供肝的多中心随机对照试验结果表明，采用HOPE后，肝移植术后的非吻合口狭窄发生率从18%降低至6%，复流后综合征发生率从27%降低至12%，早期移植物功能不全发生率从40%降低至26%。NMP技术在供体器官使用中的安全性和可行性也在临床前研究中得到了验证，一些NMP保存供体肝脏的临床试验已经在东亚、欧洲和北美展开。NMP移植物具有代谢活性，在灌注过程中可以根据需要调节灌注参数，同时可以通过活检和灌注液的生化指标来判断供体器官是否适合移植给受者。NMP灌注液的必要成分中包含携氧剂、营养物质、抗生素、抗血栓药物等，同时研究者也尝试在灌注体系中加入间充质干细胞等治疗成分，以达到修复器官的目的。当前的研究表明NMP不仅可以进行体外评估移植物活力，同时可以在NMP期间进行受损器官的功能修复。这些灌注期间的灌注参数及修复功能，对外科医师判断和利用扩大标准供体移植物具有重要的临床意义。NMP目前已在临床实践中成功地应用于肺、肝、肾和心脏移植。但从此前学界的实践来看，机械灌注终归只是一个保存手段，机械灌注前后的器官离体缺血保存依然存在，器官移植技术体系没有颠覆，只能说是中间一个保存环节有进展和获益，但是技术体系没有根本改变。尤其是NMP会有两次的缺血再灌注损伤，“二次打击”很大程度上抵消了保存阶段带来的获益，单纯机械灌注的积极意义相当有限。

解决离体器官没有供血的问题，是实现无缺血器官移植的先决条件，但需要自主研发器官养护装置，探索离体器官养护技术以取代冷保存技术。经过总结前人机械灌注的经验和中山大学附属第一医院何晓顺课题组10年来的大动物实验探索，我们研制出了全球首台体外多器官维护系统，可替代人体为离体器官创造接近生理状态的灌注压力、流量、温度、氧合及营养支持。多器官维护系统虽然解决了器官保存阶段的器官缺血问题，但器官获取及植入阶段必然要涉及器官供血与引流血管的离断及再吻合，如何保证在上述复杂的手术过程中器官血流分秒都不中断是我们要解决的第二个难题。解剖学中肝脏的动脉系统存在多个三通汇合结构给了我们充分的提示，于是我们进行大胆的尝试，巧妙地利用供肝血管的天然分支及利用自体血管搭桥的血管外科技术与体外多器官维护系统相连，建立一套独立于供体的器官体外循环。上百次的小型猪肝获取和移植实验让我们摸索出一套完备的流程，在供肝获取时，游离肝动脉至腹腔干，将脾动脉远端离断、近端插管与系统的动脉灌注管连接；取髂外静脉一段作为桥接血管与门静脉主干行端侧吻合，在桥接血管插管与系统的门静脉灌注管连接；肝下下腔静脉插管，与系统引流管连接。通过建立门静脉、肝动脉灌注以及下腔静脉引流的三通结构，一端连接供肝，一端连接供体的体内循环系统，一端连接体外多器官维护系统。在阻断供肝体内循环、离断供肝血管的同时即启动备用体外循环，从而保证获取过程供肝血流不中断。供肝离体后放置在体外多器官维护系统中进行连续、常温、氧合血供机械灌注保存，经过灌注及修复后若符合质控标准，则开始受体手术。在供肝植入时，利用血管夹阻断供肝的肝上下腔静脉、门静脉主干及腹腔干远端，在维持体外多器官修复系统对器官供血的条件下，分别与受体相应血管进行吻合。吻合结束后恢复受体对供肝的体内循环系统灌注，停用体外常温机械灌注支持，完成供肝的植入，从而保证植入过程中供肝血供不中断。

经过充分的临床前期准备，我们在2017年7月23日成功实施了全球首例无缺血肝移植术，并且受体术后恢复比传统肝移植手术更快更好，初步证明了无缺血器官移植的安全性、可行性和优越性。随后我们进一步临床实践，已经把无缺血肝移植技术常规应用于临床，迄今已成功完成97例。临床结果符合预期，与同期进行的传统冷移植技术相比，无缺血肝移植术后的肝功能指标峰值、术后恢复时间、早期移植物功能不全和原发性移植物无功能发生率均有明显降低。由于整个移植过程中器官保持正常的血供与温度，避免了传统冷移植中低温、全身炎症反应对心、肺、肾等重要脏器功能的影响，几乎完全避免了复流综合征的发生，大大降低了手术风险；对收集的临床样本进行原位组织病理学及多组学的全面检测，在基础层面上证实无缺血肝移植技术基本避免了器官缺血再灌注损伤。由此可见，无缺血肝移植技术呈现出传统冷移植无可比拟的优势，是器官移植技术的一个标志性成就。

接着我们在2018年成功实施了全球首例无缺血肾移植，在供肾获取过程中经肾下腹主动脉及肾下下腔静脉插管与体外多器官维护系统连接，在离断供肾血管时立即由体外多器官维护系统为供肾供血并在体外持续常温机械灌注，植入时在维持供肾血供的条件下将供体的肾上腹主动脉和下腔静脉分别与受者的髂外动脉和静脉端侧吻合。实现了在不中断血供的情况下完成了供肾移植全过程，供肾在移植全过程中持续产生尿液。经过前期的探索和准备，无缺血肾移植也已实现从临床尝试到常规应用的跨越。

2021年6月26日，我们成功实施了世界首例无缺血心脏移植。采用不停跳供心获取方法——通过升主动脉根部插管与体外多器官维护系统连接，在离断供心血管时立即由体外多器官维护系统提供血供；体外保存时，由体外多器官维护系统持续为冠状动脉提供常温、有氧血流，保护供心功能；植入时，在体外多器官维护系统维持冠状动脉血供下完成升主动脉、左心房、肺动脉和上下腔静脉等心脏血管的吻合。供体心脏在移植全过程始终处于正常跳动状态。

得益于无缺血器官移植理念的提出和实践，可以基本避免无效移植。既往在冷移植阶段，离体器官处于低代谢状态，并不具备正常功能，因此无法进行有效的功能评估，器官质量好坏、能否移植只能依靠移植医师的经验判断，在这种情况下，移植医师标准严格一些就会降低器官的利用率，移植医师标准宽松一些就会增加原发性移植物无功能的风险。作为用于挽救器官终末期疾病患者的供体器官，却缺乏客观并且有效可行的质控标准无疑是令人失望的。为了解决器官质量无法准确评估的难题，基于多器官维护系统建立的离体器官养护平台为离体器官功能检测、评估提供了可能，通过大量的大动物实验和临床弃用供体器官离体灌注实验，中山大学附属第一医院何晓顺团队首次建立了供肝质量的质控标准。基于这个新的质控标准，我们评估了供肝113例，符合标准的肝移植后均获成功，无1例发生原发性移植物无功能，证实应用该标准可以避免因错判器官活力带来的移植失败或可用器官被弃用，极大地提高了手术的安全性，避免了器官浪费，极大提高了器官的利用率。

此外，无缺血器官移植技术推动了“器官医学”新理念的提出。人体是由行使不同功能的细胞、组织、器官和系统构成。器官不仅是发挥独立生理功能的基本单元，也是各类疾病发生的场所。当今的医学研究与治疗的对象均是基于生物整体或基于细胞、基因水平，前者过于宏观，后者又过于微观，而诸多疾病恰恰是发生发展于器官内。缺乏成熟的离体器官培养技术及相应的理念，生物医学界对于独立的器官功能，器官疾病的发生发展，以及不同器官之间的相互作用知之甚少，导致在研究层面无法精准了解各器官的功能以及各种因素对器官功能的影响，在临床治疗上，一个器官患病，所有的器官都需接受治疗，是临床治疗中的困境。我们在建立了肝、肾、心、肠等多个器官离体养护与修复技术的基础上，提出了“器官医学”新理念，即在器官水平上研究和治疗疾病，并取得一系列的原创性成果。我们率先建立了人类疾病器官模型与研究平台，发明了活器官腔镜、内镜医师培训系统并实现产业化等。“器官医学”原创理念弥补了当今医学研究与治疗方法学上的缺陷，医学研究思维和模式可能取得新的进展。这是医学研究方法学的突破，使未来医学发展有望进入精准研究器官功能及治疗器官疾病的新阶段。

正如无缺血肝移植刚获得成功之后，世界器官移植协会主席Nancy在《中华医学杂志》上评价：“我认为无缺血肝移植技术可以拓展至心、肺、肾等移植领域，并可向全球其他地区推广，有着广阔的应用前景。”我们团队已成功开展了肝、肾和心的无缺血器官移植，无缺血器官移植必定走向世界，让所有人受益于这项中国首创的器官移植技术。

（何晓顺）