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Science Bulletin | 心血管系统驱动的多器官循环与实时测控系统——多器官关联研究的创新性平台

近日,南京大学医学院顾宁院士团队与南京大学医学院附属鼓楼医院徐标教授团队在Science Bulletin发表了题为“Establishment of the multi-organ circulatory and supervision system (MOCS)”的研究论文。该研究开创性地建立了心血管系统驱动的多器官循环与实时测控系统,为探究真实多器官间的相互关联机制提供了潜在的变革性技术。研究采用巴马小型猪多器官作为实验对象,利用MOCS系统成功实现了对心脏、肝脏和肾脏三个关键器官长达17小时的体外联合支持与多指标参数测控。作为专为多器官研究设计的创新性平台,MOCS对探索泛血管疾病中的多器官间相互作用、多器官移植技术的优化与创新等多个前沿领域具有重要的潜力和巨大的应用价值。


人体是一个复杂系统,其整体功能并不是细胞、组织及器官活动的简单线性叠加,而是由大量非线性、相互交织的主体动态互作而成,不同器官与系统在维持生命整体生理功能中存在着紧密的协同作用。因此,系统性研究生命体系中多器官的相互关联,剖析不同器官在生理及病理状况下的协调与互作机制,对于理解复杂生命系统运作规律、揭示多器官系统疾病发病机理、以及开发有效的治疗策略均具有重要意义。近年来,生命科学技术在分子、细胞等微观领域取得了显著进展,深化了我们对生命复杂性的理解。然而,在宏观层面,如何全面理解人体多器官与系统的综合交互作用,依然是一项亟待攻克的重大挑战。

当下,多器官关联研究主要依赖于动物模型,通过构建系统性疾病模型,利用影像学技术、分子生化指标等,分析不同器官生理、病理变化的潜在关联性。尽管动物研究为探索生理病理和药物学机制提供了重要模型,但其具有干扰因素复杂、可控性受限及时效性不足等多方面局限。另一方面,类器官和多器官芯片技术近年来取得了显著进展,可以对多器官交互反应进行实时、动态的分析,但其在器官尺度和复杂程度上仍难以模拟真实器官功能。迄今为止,尚缺乏一种方法能够在保留真实器官功能的同时模拟特定器官间交互场景,从而直接、动态捕捉其交互过程中的即时与长期反应,进而明确、深入地解析特定器官与器官之间的互作机制。因此,开拓并创新此类研究方法,对于探究人体多器官复杂系统动态互作规律,具有极为重要的价值与意义。

为探索多器官复杂系统的关联研究问题,南京大学医学院顾宁院士组建了一支多科学交叉团队,开创性地提出并成功建立了由心血管驱动的多器官循环与监测系统(MOCS)。这一创新系统将体外多器官生命联合支持技术与数据收集及分析相融合,为观测和研究复杂多器官多系统互作开辟了全新路径。MOCS系统主要由三个核心模块构成,包括支持体外多器官氧合与营养的常温灌注系统、维持体外环境的器官支持舱,以及多器官生理功能的实时监测和调控模块。为验证MOCS用于多器官支持与测控的可行性,研究团队以巴马小型猪的三个重要器官,即心脏、肝脏和肾脏为研究对象进行了生命支持测试。实验通过对巴马小型猪进行腹部及胸部手术,逐步游离心、肝、肾及其连接血管,通过肺动脉和左心耳插管与MOCS系统连接,建立心血管驱动的常温多器官灌注体系。待循环稳定后,将相关器官及连接血管转移至器官支持舱,进行实时监测,并根据监测数据及时给予和调整药物以维持内环境稳态。

初期研究顺利完成了四次成功的多脏器生命维持测试,其中多器官离体维持最长时间为17小时。在多器官功能支持期间,心脏表现出稳定且相对规律的收缩活动,心率维持在大约100-120次/分钟。血压指标及血气参数(pH值、乳酸、钾离子、钙离子、氧气分压、二氧化碳分压、葡萄糖以及氧饱和度等)持续监测显示,手术操作期间及器官分离与转运阶段多参数均出现了显著波动,随后在体外维持阶段进入相对稳定状态。为进一步评估MOCS用于多器官功能维持效果,对心脏功能指标(B型利钠肽、肌酸激酶MB同工酶)、肝功能指标(丙氨酸转氨酶、γ-谷氨酰转移酶、乳酸脱氢酶等)、以及肾功能指标(血肌酐、尿素氮;尿液量、尿比重、蛋白质、红细胞、肌酐及尿素氮等)进行持续性监测。结果显示,心脏功能在较长时间内保持了相对稳定,而肝脏与肾脏功能则呈现出逐渐下降的趋势。这一结果提示,该模型中肝脏与肾脏的损伤可能先于心脏功能障碍发生,从而明确了未来系统改进及研究中亟需关注的重要环节。

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尽管科学界已对多种生命支持技术进行了广泛探索,但成功实现体外多器官维持案例仍极为罕见,该研究证实了通过MOCS系统维持至少三个重要器官功能的可行性,是该领域的重要突破。尽管当前MOCS在多器官生命支持方面的时间限制仍是一个挑战,但其在支持系统和实验方案方面具有巨大的改进空间,具有显著的提升潜力。实验过程中多生理参数的持续波动也进一步强调了持续监测和及时调控对于维持器官功能稳定的关键作用。

MOCS系统作为专为多器官研究设计的创新性研究平台,在医学和生命科学基础研究及临床应用方面具有变革性的潜力和广阔的应用前景。通过进一步系统优化与技术创新,MOCS有望实现更长时间的内外环境精准调控及动态监测,进一步延长多器官存活时间。此外,模块化设计将允许在未来应用中灵活增加或减少特定器官,在保留真实器官功能的同时,模拟特定器官间的交互场景,从而实时、直观地捕捉其交互过程中的即时与长期反应以及生理参数变化,明确特定器官间的相互作用机制。MOCS的创新性设计理念与技术突破,为探索多器官关联研究及推动多器官移植应用开辟了全新的道路。

南京大学医学院附属鼓楼医院心内科康丽娜教授和东南大学江苏省生物材料与器件重点实验室盛静逸副研究员为该论文的共同第一作者,南京市血管信息与健康工程医学重点实验室顾宁院士和徐标教授为共同通讯作者。

该工作受江苏省重大科学基础设施培育项目、国家自然科学基金(61821002)、江苏省自然科学基金(BK20222002)以及“十四五”省医学重点学科(ZDXK202208)等项目支持。



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