КРИСТАЛЛОИДНЫЙ КАРДИОПЛЕГИЧЕСКИЙ РАСТВОР
CRYSTALLOID CARDIOPLEGIC SOLUTION

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиохирургии и кардиоанестезиологии, и может быть использовано в клинической практике при выполнении операций на сердце в условиях искусственного кровообращения.
Проведение большинства кардиохирургических операций возможно только на остановленном и обескровленном сердце. При этом его насосную функцию выполняет аппарат искусственного кровообращения, а само сердце находится в состоянии аноксии, вызванной наложением зажима на восходящий отдел аорты. При этом механическая и электрическая активность миокарда отсутствует. Такое состояние сердца создает оптимальные условия для работы хирурга, однако тотальная ишемия негативно сказывается на состоянии миокарда и может приводить к таким осложнениям, как интраоперационный инфаркт миокарда, острая сердечная недостаточность в раннем послеоперационном периоде, тяжелые нарушения ритма (1. Masse L., Antonacci M. Low cardiac output syndrome: identification and management. Crit Care Nurs Clin North Am 2005; 17(4): 375-383; 2. Dahlin L.G., Olin C., Svedjeholm R. Perioperative myocardial infarction in cardiac surgery-risk factors and consequences. A case control study. Scand Cardiovasc J 2000; 34(5): 522-527). Время ишемии может быть значительным (до 2 часов и более), поэтому остановка коронарной перфузии должна осуществляться только в условиях адекватной кардиопротекции. В настоящее время для интраоперационной защиты миокарда от ишемического повреждения используют различные варианты кардиоплегии, вызывающей обратимое прекращение электрической и механической активности сердца (Nicolini F., Beghi С., Muscari С., Agostinelli A., Budillon A., Spaggiari I., Gherli T. Myocardial protection in adult cardiac surgery: current options and future challenges. Eur J Cardiothorac Surg 2003; 24(6): 986-993).
Кардиоплегию классифицируют в зависимости от основы кардиоплегического раствора на кристаллоидную и кровяную; в зависимости от температурного режима на холодовую, тепловатую, изотермическую, тепловую; в зависимости от объема вводимого кардиоплегического раствора на высокообъемную и стандартную; в зависимости от режима введения на интермиттирующую и постоянную. В последнее десятилетие в многочисленных рандомизированных клинических исследованиях была доказана высокая эффективность кровяной кардиоплегии. В настоящее время она используется несколько чаще, чем кристаллоидная (Jacob S., Kallikourdis A., Sellke F., Dunning J. Is blood cardioplegia superior to crystalloid cardioplegia? Interact Cardiovasc Thorac Surg 2008; 7(3): 491-498). К преимуществам кровяной кардиоплегии относятся наличие у крови кислородтранспортной функции, оптимальные величины коллоидно-онкотического давления и буферной емкости (Бунатян А.А., Трекова Н.А., Мещеряков А.В. Руководство по кардиоанестезиологии (под ред. Бунатяна А.А., Трековой Н.А.), М.: 2005. - 688 с.). Однако методика кристаллоидной кардиоплегии продолжает использоваться в кардиохирургической практике. К одной из причин этого относится более простой способ доставки кардиоплегического раствора к сердцу, отсутствие необходимости использовать перфузионную аппаратуру. возможность более точно дозировать небольшие количества раствора. Все это создает определенные преимущества кристаллоидной кардиоплегии применительно к операциям на сердце у детей грудного возраста и первых лет жизни. Кроме того, к недостаткам способа кровяной кардиоплегии относится неизбежное попадание ионов калия и магния в кровяное русло пациента, что существенно повышает риск развития системной гиперкалиемии и гипермагниемии при многократных эпизодах инфузии кровяного кардиоплегического раствора. Гиперкалиемия приводит к нарушению сократимости миокарда в ближайшем постперфузионном периоде, а также требует повторных эпизодов электрической дефибрилляции сердца после снятия зажима с аорты (Yam C.I., Fox M.A., Fabri B.M. Hyperkalaemia after warm heart surgery. Can J Anaesth 1993; 40(9): 898-900). Крайне затруднительна и не используется кровяная кардиоплегия для консервации донорского сердца перед трансплантацией сердца.
Кристаллоидные кардиоплегические растворы делятся на 2 группы: внеклеточные и внутриклеточные (Donnelly A.J., Djuric М. Cardioplegia solutions. Am J Hosp Pharm 1991; 48(11): 2444-2460). Первые содержат концентрацию ионов натрия, близкую к внеклеточной жидкости. Внутриклеточные растворы содержат низкие концентрации натрия, соответствующие содержанию натрия в цитоплазме. Они зачастую требуют более редкой инфузии, обладают высокими кардиопротективными свойствами, однако имеют существенный недостаток: восстановление насосной функции сердца после их использования проходит медленно и требует дополнительного времени искусственного кровообращения после реперфузии миокарда (Бунатян А.А., Трекова Н.А., Мещеряков А.В. Руководство по кардиоанестезиологии (под ред. Бунатяна А.А., Трековой Н.А,), М.: 2005. - 688 с.). Скорее всего, это связано с медленным восстановлением ионного состава интерстиция миокарда и цитоплазмы кардиомиоцитов. Эти растворы успешно применяются для консервации сердца при изъятии его у донора для последующей трансплантации, а также у детей при длительных операциях, направленных на коррекцию врожденных пороков сердца. Внеклеточные растворы часто используются в клапанной и коронарной хирургии.
В настоящее время для фармакохолодовой кристаллоидной кардиоплегии из внеклеточных растворов наиболее часто используются растворы госпиталя Св. Томаса, раствор Института сердечно-сосудистой хирургии АМН (ИССХ АМН), раствор «Консол» и другие (Островский Ю.П. Хирургия сердца, М.: Мед. лит., 2007. - 576 с.). Растворы госпиталя Св. Томаса обладают недостаточными кардиопротекторными и буферными свойствами (Бунатян А.А., Трекова Н.А., Мещеряков А.В. «Руководство по кардиоанестезиологии», под ред. Бунатяна А.А., Трековой Н.А., М.: 2005. - 688 с.). Раствор «Консол» имеет более высокий кардиопротекторный потенциал, поскольку может предотвращать внутриклеточный отек. Однако его буферные свойства остались такие же, как у растворов госпиталя Св. Томаса. Кардиоплегический раствор ИССХ АМН оказывает слабый кардиопротекторный эффект, более того, высокие концентрации ионов калия могут оказывать прямое повреждающее действие на миокард (Gharagozloo F., Bulkley B.H., Hutchins G.M., Bixler T.J., Schaff H. V., Flaherty J.T., Gardner T.J. Potassium-induced cardioplegia during normothermic cardiac arrest. Morphologic study of the effect of varying concentrations of potassium on myocardial anoxic injury. J Thorac Cardiovasc Surg. 1979; 77(4): 602-607). Многие используемые в настоящее время кристаллоидные кардиоплегические растворы, в том числе растворы госпиталя Св. Томаса, имеют недостаточную осмолярность, что способствует развитию внутриклеточного отека (Drewnowska K., Clemo H.F., Baumgarten C.M. Prevention of myocardial intracellular edema induced by St. Thomas Hospital cardioplegic solution. J Mol Cell Cardiol. 1991; 23(11): 1215-1221).
Задачей изобретения является улучшение защитных свойств кардиоплегического раствора. Разработанный раствор представляет собой внеклеточный кристаллоидный кардиоплегический раствор, предназначенный для защиты сердца от глобальной ишемии во время кардиохирургических операций. Состав кристаллоидного кардиоплегического раствора в сравнении с составом раствора госпиталя Св. Томаса №2 представлен в таблице 1.
Таблица 1
Состав кардиоплегического раствора госпиталя Св. Томаса №2 (Алабовский В.В., Винокуров А.А., способ восстановления сократительной функции сердца после кардиоплегии с антагонистами кальция в эксперименте, патент Российской Федерации, номер патента 2133612) и предлагаемого кардиоплегического раствора
Компоненты
Кристаллоидный кардиоплегический раствор
Раствор госпиталя Св. Томаса №2
Натрий
143
120
Калий
25
16
Кальций
0,3
1,2
Магний
16
16
Глюкоза
11
-
Бикарбонат
25
10
Дигидроортофосфат
1,2
-
Хлор-анион
142,1
160,4
Сульфат-анион
16
-
pH
7,8
6,9-7,0
Осмолярность
379
310
Предложенный раствор для кардиоплегии обладает рядом преимуществ по сравнению с другими кристаллоидными кардиоплегическими растворами. Во-первых, в нем содержится глюкоза в концентрации 11 ммоль/л, обеспечивающая потребность миокарда в субстрате для энергетического метаболизма в ходе глобальной ишемии. Во-вторых, за счет наличия бикарбонатной и фосфатной буферных систем предложенный раствор обладает повышенной буферной емкостью, позволяющей противостоять развитию внутриклеточного ацидоза и сократительной дисфункции. В-третьих, в предложенном растворе содержится концентрация ионов натрия (143 ммоль/л), соответствующая таковой в плазме крови, что должно способствовать более быстрому восстановлению сократимости в реперфузионном периоде. Наконец, разработанный кардиоплегический раствор гиперосмолярен (379 мосм/л) по отношению к плазме крови, интерстициальной жидкости и цитоплазме, что делает его более эффективным в плане профилактики внутриклеточного отека.
3
2
4
4
2
2
Для приготовления предлагаемого кардиоплегического раствора необходимо в 1 л дистиллированной воды растворить: NaCl - 6,925 г, NaHCO- 2,1 г, KCl - 1,773 г, KHPO - 0,165 г, MgSO·7HO - 3,94 г, Глюкоза - 1,982 г, CaCl - 0,033 г.
Для подтверждения возможности использования кардиоплегического раствора и исследования его эффективности в сравнении с прототипом - официальным кардиоплегическим раствором госпиталя Св. Томаса №2 - были выполнены исследования на модели перфузии изолированного сердца крысы по Лангендорфу. Данная методика широко используется для исследования эффективности различных кардиоплегических растворов (Li S., Lin J., Lenehan E., Liu J., Long C., Liu J., Geng Y.J. Myocardial protection of warm cardioplegic induction on the isolated perfused rat heart model. J Extra Corpor Technol. 2004; 36(1): 58-65). Все эксперименты были проведены в соответствии с «Руководством по уходу и использованию лабораторных животных» (публикация Национального Института Здоровья, США №85-23).
2
2
Эксперименты выполнялись на крысах-самцах линии Wistar массой 220-300 г (питомник «Рапполово» РАН), содержавшихся в условиях 12/12 часового светового режима и получавших стандартный корм и питьевую воду. Исследования проводили на экспериментальной установке, которая состояла из 2 термостатированных перфузионных колонок, обеспечивающих высоту водного столба, эквивалентную 80 мм рт.ст., системы поддержания постоянного уровня жидкости в колонках, системы для создания гидродинамической нагрузки на левый желудочек и регистрации внутрилевожелудочкового давления, стакана для нахождения в нем препарата изолированного сердца, системы программного анализа величин внутрилевожелудочкового давления и частоты сердечных сокращений. Животных наркотизировали уретаном (1200 мг/кг, внутрибрюшинно). Грудную клетку вскрывали широким чрездиафрагмальным билатеральным доступом, быстро вырезали сердце и помещали его в физиологический раствор. После выделения восходящей аорты сердце подключали к аппарату Лангендорфа и осуществляли ретроградную перфузию через канюлю, введенную в аорту, раствором Кребса-Хенселейта под постоянным давлением гидростатического столба 80 мм рт.ст. Температуру перфузионного раствора, подаваемого через колонку и насыщенного газовой смесью, содержащей 95% О и 5% CO, поддерживали равной 37,0±0,5°С, pH раствора поддерживали на уровне 7,4.
Давление в левом желудочке регистрировали с помощью полиэтиленового баллона, введенного в полость желудочка через митральное кольцо и соединенного с датчиком и усилителем сигнала давления. Давление в левом желудочке непрерывно регистрировали на персональном компьютере с помощью программного обеспечения PhysExp 2.0 (Санкт-Петербург). По кривой давления в левом желудочке программным методом вычислялись следующие показатели: систолическое давление в левом желудочке (СЛЖД) и диастолическое давление в левом желудочке (ДЛЖД), а также пульсовое давление в левом желудочке (ПЛЖД), представляющее собой разность СЛЖД и ДЛЖД, а также определяли частоту сердечных сокращений (ЧСС). Исследовали интенсивность коронарной перфузии (КП) путем измерения оттока перфузата от сердца за единицу времени.
Протокол экспериментов. Для исследования кардиопротективных эффектов кардиоплегических растворов были проведены следующие пять групп экспериментов.
1. Контроль (n=10). После подготовки препарата изолированного сердца осуществляли перфузию в течение 10 минут (период стабилизации), затем воспроизводили глобальную ишемию в течение 60 минут путем выключения перфузии, затем следовала реперфузия в течение 120 минут. В течение всего эксперимента температура сердца, а также перфузионного раствора в колонке и в стакане поддерживалась на уровне 37°С.
2. Тепловая кардиоплегия кардиоплегическим раствором госпиталя Св. Томаса №2 (Св.Т (Т), n=6). В этой и последующих трех группах кардиоплегические растворы вводили под постоянным давлением (80 мм рт.ст.) антеградно в аорту трижды в ходе глобальной ишемии на 1-й, 21-й и 41-й минутах ишемии, причем продолжительность введения растворов составляла 4, 2 и 2 минуты, соответственно. В течение всего эксперимента температура сердца, перфузионного раствора, кардиоплегического раствора поддерживалась на уровне 37°С.
3. Холодовая кардиоплегия кардиоплегическим раствором госпиталя Св. Томаса №2 (Св.Т (X), n=4). Температура сердца во время инфузии кардиоплегического раствора и в течение периода ишемии поддерживалась на уровне 5°С.
4. Тепловая кардиоплегия предлагаемым кристаллоидным раствором (КПР (Т), n=7). Температура растворов и сердца в течение всего опыта поддерживалась на уровне 37°С.
5. Холодовая кардиоплегия предлагаемым кристаллоидным раствором (КПР (X), n=4). Температура сердца во время инфузии кардиоплегического раствора и в течение периода ишемии поддерживалась на, уровне 5°С. Регистрацию показателей функции сердца (СЛЖД, ДЛЖД, ПЛЖД) осуществляли в конце периода стабилизации (исходно), на 5-й, 15-й, 25-й, 35-й, 45-й и 55-й минутах 60-минутной ишемии (в экспериментальных группах этим временным значениям соответствовали моменты 5-й и 15-й минут в течение каждого 20-минутного ишемического периода), на 5-й и 30-й минутах реперфузии.
Методика оценки размера инфаркта. После завершения 120-минутной реперфузии осуществлялась оценка размера инфаркта с помощью окраски сердца трифенилтетразолием хлоридом (ТТС) (МР Biomed., США). Для этого сердце разрезали в поперечном направлении на пять срезов одинаковой толщины (2 мм), после чего срезы на 15 минут помещали в 1%-ный раствор ТТС при температуре инкубации 37°С. После инкубации с ТТС поверхности срезов фотографировали цифровой камерой Olimpus 2020, соединенной с микрофотографическим устройством микроскопа МБС-10 (ЛОМО, Санкт-Петербург), и рассчитывали общие площади срезов и площади зон инфаркта (ТТС-негативные участки) с помощью программы Photoshop CS. Данные по размеру инфаркта в данном срезе представляли в виде отношения площади зоны инфаркта к общей площади среза (в процентах). Общий размер инфаркта для данного сердца вычисляли путем суммирования полученных по пяти срезам значений и вычисления среднего арифметического.
Статистическая достоверность различий функциональных данных в каждой временной точке, а также размеров инфаркта оценивалась с использованием критерия Манна-Уитни (U). Все данные выражались в виде «среднее ± стандартное отклонение». Значения Р менее чем 0,05 рассматривались в качестве достоверных.
Исходные параметры функционирования препарата изолированного сердца представлены в таблице 2.
Таблица 2
Исходные параметры функционирования препарата изолированного сердца
СВЖД, мм рт.ст.
ДВЖД, мм рт.ст.
ЧСС, уд./мин
КП, мл/мин
Контроль
130,4±20,7
5,6±3,6
257±26
12,3±3,7
Св.Т (Т)
131,5±13,9
2,3±2,2
251±37
9,1±1,6
Св.Т (X)
142,3±13,5
5,5±3,6
269±43
13,8±3,7
КПР (Т)
141,1±12,9
5,8±3,1
258±38
10,4±1,8
КПР (X)
129,3±20,5
4,9±2,1
268±19
8,4±1,3
Уровень низкого или высокого внутрилевожелудочкового давления в течение периода глобальной ишемии отражает отсутствие или наличие, соответственно, ишемической контрактуры и является информативным показателем состояния ишемизированного миокарда. Усиление контрактуры означает ухудшение состояния ишемизированного миокарда. Динамика изменения давления в полости левого желудочка в экспериментальных группах представлена в таблице 3. Из таблицы видно, что в контрольной группе и в группе тепловой кардиоплегии раствором госпиталя Св. Томаса №2 ишемическая контрактура была максимально выражена, а в группах с холодовой кардиоплегией раствором госпиталя Св. Томаса №2 и предлагаемым кардиоплегическим раствором контрактура отсутствовала. В группе с тепловой кардиоплегией предлагаемым раствором контрактура была выражена незначительно и только к концу ишемического периода на 55-й минуте достигала высоких значений. Это говорит о хорошем кардиопротекторном эффекте данного кардиоплегического раствора при его использовании в тепловом режиме.
Таблица 3
Уровень внутрилевожелудочкового давления в течение периода глобальной ишемии
Группа
5 мин
15 мин
25 мин
35 мин
45 мин
55 мин
Контроль
5,9±3,6
11,2±6,4
60,7±22,4
52,5±12,7
48,7±13,1
47±11,2
Св.Т (Т)
6,6±2,2
6,9±2,5
30,4±12,5
66,4±14,8
63,7±9,2
56,1±6,6
Св.Т (X)
8,9±6,1
8,3±6,5
5,8±3,1*
2,8±2,8*
4,2±3,3*
2,9±0,9*
КПР (Т)
9,1±2,7
8,5±3,6
9,6±3,6*<sup>#</sup>
10,7±4,8*<sup>#</sup>
11,7±4,2*<sup>#</sup>
43,6±25,5
КПР (X)
2,9±1,8
3,6±3,3
3,2±2,1*
2,7±1,3*
3,9±2,6*
3,8±1,2*
Примечание: <sup>*</sup> - Р<0,05 в сравнении с контролем; <sup>#</sup> - Р<0,05 в сравнении с группой Св.Т (Т).
Динамика изменения ДЛЖД в различных группах на протяжении эксперимента представлена в таблице 4. Показатели ДЛЖД в группах исходно достоверно не отличались. На этапе реперфузии величина диастолического давления в левом желудочке отражает степень выраженности диастолической дисфункции миокарда. В контрольной группе и в группе с раствором госпиталя Св. Томаса №2 (тепловой режим) величина диастолического давления на 5-й и 30-й минуте реперфузии была достоверно выше, чем при использовании предлагаемого кардиоплегического раствора. В последнем случае на 30-й минуте реперфузии диастолическое давление оказалось в пределах физиологической нормы и не отличалось от уровня диастолического давления при использовании холодовой кардиоплегии. Тем не менее, на 5-й минуте реперфузии оно было достоверно выше, чем в группах с холодовой кардиоплегией.
Таблица 4
Диастолическое давление в левом желудочке на 5 и 30 минутах реперфузии
Группа
5 мин
30 мин
Контроль
92,2±10,2
91,4±11,6
Св.Т (Т)
82,8±7,9
53,8±17,2*
Св.Т (X)
3,6±1,7*
3,9±3,2*
КПР (Т)
24,1±17,7*<sup>#</sup>
11,3±6,1*<sup>#</sup>
КПР (X)
2,2±1,2*
5,6±3,5*
Примечание: * - Р<0,05 в сравнении с контролем; <sup>#</sup> - Р<0,05 в сравнении с группой Св.Т (Т).
Пульсовое давление в левом желудочке. Динамика изменения ПЛЖД в группах на протяжении всего эксперимента представлена в таблице 5.
Таблица 5
Пульсовое давление в левом желудочке на 5 и 30 минутах реперфузии
Группа
5 мин.
30 мин.
Контроль
АС
17,5±10,9
Св.Т (Т)
6,4±2,5
24,1±8,8
Св.Т (X)
114,7±11,5*
94,1±24,6*
КПР (Т)
97,2±22,3*"
104,1±17,8*#
КПР (X)
115,6±13,2*
85,8±9,6*
Примечание: АС - асистолия; * - Р<0,05 в сравнении с контролем; <sup>#-</sup><0,05 в сравнении с группой Св.Т (Т).
Показатели пульсового давления в группах исходно достоверно не отличались. На этапе реперфузии величина систолического давления в левом желудочке отражает степень сохранности сократительной функции миокарда. Она оказалась одинаковой в контрольной группе и в группе с раствором госпиталя Св. Томаса в тепловом режиме. Пульсовое давление в группах с холодовой кардиоплегией и в группе с тепловой кардиоплегией разработанным раствором оказалось нормальным и достоверного различия между этими группами не наблюдалось.
Размер инфаркта. Определение размера инфаркта является «золотым стандартом» в подобных экспериментах, направленных на изучение воздействий, повышающих устойчивость миокарда к ишемии. Величина размера инфаркта изолированного сердца в экспериментальных группах приведена в таблице 6. Холодовая кардиоплегия обеспечивала наименьший уровень некроза, а предлагаемый кардиоплегический раствор в тепловом режиме немного уступал ей по эффективности, но оказался значительно эффективнее, чем кардиоплегический раствор госпиталя Св. Томаса №2 в тепловом режиме. Последний вообще не обеспечил кардиопротекцию при использовании его в тепловом режиме и результат при этом статистически достоверно не отличался от контрольной группы.
Таблица 6
Размер инфаркта
Группа
Размер инфаркта, %
Контроль
72,5±5,6
Св.Т (Т)
67,9±12,6
Св.Т (X)
4,3±1,2*
КПР (Т)
14,3±13,2*<sup>#</sup>
КПР (X)
5,8±1,6*
Примечание: * - Р<0,05 в сравнении с контролем; <sup>#</sup> - Р<0,05 в сравнении с группой Св.Т (Т).
Из таблицы видно, что в тепловом режиме размер инфаркта при использовании предлагаемого раствора в среднем в 4,7 раза меньше, чем при использовании раствора госпиталя Св. Томаса №2. В холодовом режиме отличий не наблюдалось.
Таким образом, разработанный кардиоплегический раствор показал более выраженные кардиопротекторные свойства, чем раствор госпиталя Св. Томаса №2 при выполнении кардиоплегии в тепловом режиме, хотя в холодовом режиме результаты оказались одинаковыми. В настоящее время кристаллоидная кардиоплегия осуществляется исключительно в холодовом режиме, но сама по себе глубокая гипотермия без кардиоплегии оказывает достаточно мощный кардиопротективный эффект (Campos J.M., Paniagua P. Hypothermia during cardiac surgery. Best Pract Res din Anaesthesiol. 2008; 22(4): 695-709). Поэтому представлялось правильным протестировать кардиоплегические растворы именно в тепловом режиме, чтобы оценить защитные свойства только химического состава раствора без учета температурного фактора. Примечательно, что в тепловых условиях предлагаемый кардиоплегический раствор оказался эффективнее раствора госпиталя Св. Томаса №2 по восстановлению сократимости миокарда в реперфузионном периоде и по значительному инфаркт-лимитирующему действию. С учетом полученных данных можно предположить, что разработанный кардиоплегический раствор может служить хорошей и эффективной альтернативой другим внеклеточным кардиоплегическим растворам, используемым для стандартной фармакохолодовой кристаллоидной кардиоплегии.