引言
體外膜氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）是一種將體內(nèi)的靜脈血引出體外，經(jīng)過特殊材質(zhì)人工心肺旁路氧合后注入患者動脈或靜脈系統(tǒng)，起到部分心肺替代作用，可維持人體臟器組織氧合血供的技術(shù)。ECMO作為體外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）技術(shù)的一種，能夠?qū)毙院粑?或循環(huán)（急性心肺）衰竭患者進(jìn)行全部或部分心肺支持，用于部分或完全替代患者心肺功能，從而為患者原發(fā)病的診治爭取時間。根據(jù)治療方式和目的不同，ECMO技術(shù)主要有靜脈到靜脈（VV-ECMO）和靜脈到動脈（VA-ECMO）兩種形式，前者僅具有呼吸輔助作用，而后者同時具有循環(huán)和呼吸輔助作用。根據(jù)其連接所用器械不同，可分為膜式氧合器、離心泵泵頭、體外循環(huán)管路和體外循環(huán)插管等無源產(chǎn)品，以及離心泵、控制臺、加熱/制冷設(shè)備、空氧混合器等有源產(chǎn)品。
由于ECMO技術(shù)門檻高，且設(shè)備價格昂貴，因此對操作人員要求較高，而且關(guān)鍵核心技術(shù)被美歐少數(shù)企業(yè)所壟斷等原因，特別是疫情以來，越來越多的企業(yè)著手開展相關(guān)產(chǎn)品的研制。在產(chǎn)品研制和開發(fā)過程中，企業(yè)需要對定型產(chǎn)品進(jìn)行必要的性能驗(yàn)證，以更好地滿足臨床需要。考慮到ECMO產(chǎn)品的風(fēng)險主要包括長時間使用條件下因材料選擇、氧合器中膜絲編織方式、泵頭的設(shè)計(jì)等與血液直接接觸的產(chǎn)品帶來的血液損傷等，同時由于血液難以承受體外長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)等因素，該部分的性能驗(yàn)證難以通過常規(guī)的體外研究進(jìn)行驗(yàn)證，需要通過適宜的動物研究進(jìn)行評價。另一方面，動物試驗(yàn)研究可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型提供相應(yīng)的證據(jù)支持，為臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考，以便降低臨床試驗(yàn)受試者及使用者的風(fēng)險。因此，對產(chǎn)品開展必要的動物研究具有非常重要的意義。
目前，國際監(jiān)管機(jī)構(gòu)也對ECMO產(chǎn)品的動物試驗(yàn)提出了要求。日本醫(yī)藥品醫(yī)療器械綜合機(jī)構(gòu)（Pharmaceuticals and Medical Devices Agency, PMDA）于2021年發(fā)布了《中長時間呼吸/循環(huán)輔助（ECMO / PCPS）系統(tǒng)評估指南》明確了體外膜氧合產(chǎn)品動物試驗(yàn)的觀察指標(biāo)、觀察時間、樣本等要求。美國FDA在對ECMO耗材上市前審查時也有具體的動物試驗(yàn)的要求。本文主要是在相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)發(fā)布或提出的要求基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究，給出針對ECMO產(chǎn)品動物試驗(yàn)研究的基本要求，以期為相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)、研制等提供參考。
1、動物試驗(yàn)研究的參考指南和基本要求
動物試驗(yàn)研究根據(jù)目的主要分為安全性研究和有效性研究。安全性方面，考慮到ECMO是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜和并發(fā)癥較多的生命支持技術(shù)，因此，考察和評價ECMO產(chǎn)品的安全性是其綜合評價中的重要部分?；谀壳癊CMO技術(shù)的臨床使用經(jīng)驗(yàn)[1-5] 、臨床 前 研 究 經(jīng) 驗(yàn)[6]和 國 際 體 外 生 命 支 持 組 織（Extracorporeal Life Support Organization, ELSO）發(fā)布的指南性文件，該類產(chǎn)品在動物試驗(yàn)研究過程中需要考慮的風(fēng)險主要包括以下幾個方面。
（1）血小板減少癥：ECMO產(chǎn)品使用過程中會與血液發(fā)生接觸，可能會對血小板產(chǎn)生損害，進(jìn)而導(dǎo)致出血傾向。
（2）溶血：紅細(xì)胞可能會因體外循環(huán)的機(jī)械作用、材料或表面特征受損而產(chǎn)生溶血。
（3）組織不良反應(yīng)：若接觸患者血液的材料不具備生物相容性，則該材料可能在患者體內(nèi)引起不良免疫學(xué)反應(yīng)（如過敏反應(yīng)、炎癥反應(yīng) ）。
（4）出血：為了防止體外循環(huán)回路凝血，治療中通常會使用抗凝劑，這可能會在治療期間引起患者出血風(fēng)險增加。
（5）血液稀釋：體外循環(huán)回路的預(yù)充可能導(dǎo)致患者血液稀釋。
（6）血栓形成：由于血流量不足或抗凝不充分，可能會在體外循環(huán)回路內(nèi)形成血栓。
（7）感染：產(chǎn)品設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)缺陷會導(dǎo)致無法充分進(jìn)行清潔和／ 或滅菌，從而可能引入病原體并可能導(dǎo)致感染。
（8）血管機(jī)械損傷：來自于插管時的急性損傷，也可以是插管在長期使用過程中，隨著時間推移出現(xiàn)的慢性損傷。
（9）氣體栓塞：體外循環(huán)回路可能會引入空氣并導(dǎo)致氣體栓塞。
（10）機(jī)械故障：在預(yù)期使用期限內(nèi)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、機(jī)械完整性問題、回路組件連接或結(jié)構(gòu)方面的不足可能導(dǎo)致循環(huán)回路破裂（泄漏）、性能故障等。
有效性方面，需要結(jié)合產(chǎn)品本身用途及不同產(chǎn)品的作用進(jìn)行有效性評價。例如，可考慮氧合器的氣體交換性能、離心泵的泵血能力等。對于需驗(yàn)證申報產(chǎn)品在某些功能上的特殊優(yōu)勢時，可考慮與此相關(guān)的有效性評價。
2、動物試驗(yàn)研究要點(diǎn)
2.1 動物種類及模型
適用于ECMO產(chǎn)品動物試驗(yàn)研究的試驗(yàn)動物一般為羊、豬等比較大型且相對溫順的動物[7-8] ，主要原因如下。
（1）羊、豬等大型哺乳動物的解剖學(xué)、生理學(xué)與人體類似，ECMO治療時器械的放置方式（如插管位置）及相關(guān)參數(shù)設(shè)定與在人體內(nèi)使用時類似，同時可對動物使用標(biāo)準(zhǔn)的臨床重癥監(jiān)護(hù)設(shè)備，更好地模擬ECMO產(chǎn)品的臨床使用環(huán)境，便于收集循環(huán)監(jiān)測數(shù)據(jù)。動物個體較大，也便于獲取足夠的組織樣本以供研究分析所需。而靈長類動物因其高成本、可用性限制等因素，并非適宜的動物種類。
（2）羊、豬等動物模型已廣泛用于心血管系統(tǒng)產(chǎn)品的研究，在動物管理方面已有較多的經(jīng)驗(yàn)。
（3）羊、豬等相對更加溫順的動物，更適用于驗(yàn)證ECMO長期應(yīng)用性能的動物試驗(yàn)研究。
在動物模型的選擇上，是否采用疾病模型可根據(jù)動物試驗(yàn)擬驗(yàn)證的問題進(jìn)行確定。例如，既往常采用閉合動物的冠狀動脈建立心源性休克模型，但該模型常容易導(dǎo)致難治性和危及生命的室性心律失?，F(xiàn)象等非預(yù)期結(jié)果。為解決該問題，Heinsar等[9]開發(fā)了一種采用注射乙醇即可獲得穩(wěn)定的可重現(xiàn)的心衰及呼吸衰竭模型，且可以有效減少心律失常等非期望結(jié)果的出現(xiàn)。但如果僅用于驗(yàn)證新開發(fā)產(chǎn)品在不同ECMO支持模式的長期應(yīng)用性能，可考慮采用健康動物進(jìn)行試驗(yàn)。但如采用特定疾病模型動物進(jìn)行試驗(yàn)，需評價動物建模是否成功，動物性別、規(guī)格（如年齡和體重）、健康和疾病狀態(tài)、病原體感染情況等均可能會對動物試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論造成影響，因此試驗(yàn)用動物選擇時宜充分考慮上述因素。
2.2 對照產(chǎn)品的選擇
對于該類產(chǎn)品進(jìn)行基于性能驗(yàn)證或安全性研究的動物試驗(yàn)過程中，考核是否設(shè)立對照組需要進(jìn)行分析論證。例如需驗(yàn)證該產(chǎn)品在某些功能指標(biāo)上的特殊優(yōu)勢，或驗(yàn)證材料性能對比等情況，如驗(yàn)證膜式氧合器相較于已上市的氧合器產(chǎn)品有更好的生物相容性或更好的氧合能力等，一般建議設(shè)立對照組，即在其他條件一致前提下，采用已上市產(chǎn)品的膜式氧合器作為對照。若需設(shè)立對照組，可根據(jù)評價指標(biāo)特點(diǎn)等選擇對照器械和／或?qū)φ詹牧?、對照支持模式等。宜?yōu)先選擇已上市的同類器械作為對照，若選擇非境內(nèi)已上市產(chǎn)品，需提供其可作為對照器械的合理理由和證據(jù)。適當(dāng)時，動物試驗(yàn)中可設(shè)立其他適宜對照組，如其他干預(yù)手段。如設(shè)立對照組，可考慮隨機(jī)化的設(shè)計(jì)并予以描述。
2.3 評價指標(biāo)的選擇
在選擇評價指標(biāo)時，建議綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康?、產(chǎn)品特征等因素設(shè)定科學(xué)、客觀的評價指標(biāo)，并對評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行說明。通常情況下，ECMO產(chǎn)品的動物試驗(yàn)中建議考慮以下方面。
（1）血液相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室檢查指標(biāo)：血常規(guī)（白細(xì)胞計(jì)數(shù)、紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、血小板計(jì)數(shù)、血紅蛋白、紅細(xì)胞壓積）、血生化（總蛋白、白蛋白、球蛋白、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶、谷氨酰轉(zhuǎn)移酶、膽紅素、肌酐、尿素氮）、血漿游離血紅蛋白、C反應(yīng)蛋白、凝血（激活全血凝固時間、纖維蛋白原）、血?dú)猓ㄑ醴謮骸⒍趸挤謮?、氧飽和度、pH）等。
（2）病理學(xué)相關(guān)指標(biāo)：大體病理學(xué)，即對試驗(yàn)動物進(jìn)行尸檢時，需提供主要器官的原位照片，同時關(guān)注插管血管是否有機(jī)械損傷、主要動靜脈（如股靜脈／動脈、頸靜脈／動脈）中是否有血栓形成、臟器（腦部、肝臟、腎臟、脾臟、腸道、心臟和肺部）是否可見梗死或出血灶等。尸檢時發(fā)現(xiàn)的任何潛在血栓建議均進(jìn)行組織病理學(xué)檢查。采集肺、心、肝、腎和腦組織標(biāo)本進(jìn)行組織病理學(xué)檢查。
（3）生命體征及血流動力學(xué)監(jiān)測：血壓（可考慮有創(chuàng)血壓監(jiān)測，獲得動脈壓、中心靜脈壓等）、心率、體溫、呼吸頻率等。
（4）ECMO運(yùn)行期間監(jiān)測并記錄血流量、氣體流量、氧合器的跨膜壓差及氣體交換性能（O2 輸送和 CO2清除）等主要治療參數(shù)，觀察器械外觀變化，監(jiān)測可能的器械故障（如泄漏）。對于組件更換需進(jìn)行記錄和原因分析。
（5）定期查看試驗(yàn)動物插管部位是否有機(jī)械損傷和感染跡象。
（6）動物試驗(yàn)中，宜對任何安全性事件／異常進(jìn)行記錄和分析。如果發(fā)生動物死亡，應(yīng)詳細(xì)分析死亡的原因，分析與產(chǎn)品質(zhì)量的相關(guān)性。
（7）試驗(yàn)動物尸檢時，應(yīng)同時觀察器械外觀變化，可考慮對產(chǎn)品進(jìn)行剖開檢查，關(guān)注是否有血栓、贅生物形成，也可以對回收器械進(jìn)行體外性能檢測。
若需驗(yàn)證申報產(chǎn)品的某些特殊功能和／或性能時，可選擇針對相關(guān)功能和／或性能的特定評價指標(biāo)，同時提供相關(guān)評價指標(biāo)的確定依據(jù)。例如，某些情況下需要驗(yàn)證新開發(fā)產(chǎn)品在滿足臨床ECMO應(yīng)用需求前提下，具有更好的相容性等時，則需要專門針對相容性的指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化。
2.4 其他考慮
依據(jù)醫(yī)療器械動物試驗(yàn)研究的一般要求[2]，在進(jìn)行ECMO產(chǎn)品的動物試驗(yàn)研究過程中，還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。
2.4.1 觀察時間
針對ECMO產(chǎn)品，觀察時間點(diǎn)建議至少包含試驗(yàn)動物基線、ECMO啟動后及ECMO治療完成時，而在ECMO治療過程中制定具體的觀察時間點(diǎn)還需要結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)、整體觀察時間長短、評價指標(biāo)等因素進(jìn)行綜合考慮。例如，在急性反應(yīng)期（例如前2~3ｄ）可每隔2~6ｈ或近似時間觀察相關(guān)指標(biāo)變化，進(jìn)入穩(wěn)定期后可每隔12~24ｈ或近似時間設(shè)置觀察時間點(diǎn)。指標(biāo)觀察等時間可根據(jù)觀察指標(biāo)的不同進(jìn)行調(diào)整，例如，進(jìn)入穩(wěn)定期后對于ACT、血?dú)馊钥擅?h監(jiān)測一次。
2.4.2 樣本量
一般情況下，動物試驗(yàn)樣本量需結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康摹⒃O(shè)計(jì)類型、評價指標(biāo)及評價方法的準(zhǔn)確性、試驗(yàn)器械及對照器械的情況、試驗(yàn)用動物的變異性、操作的一致性、試驗(yàn)中動物的預(yù)期損耗率、分析數(shù)據(jù)所用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等因素來綜合確定?？蓪F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為確定樣本量的參考，包括文獻(xiàn)報道的動物試驗(yàn)或申報產(chǎn)品的預(yù)實(shí)驗(yàn)情況。針對羊、豬等比較大型且相對溫順的動物而言，一般建議每組完成有效試驗(yàn)的動物樣本量不少于5只。對于氧合器產(chǎn)品，若產(chǎn)品同時宣稱用于兩種模式 (VV-ECMO和VA-ECMO），則需分組分別評價。
2.4.3 操作要求
在動物體內(nèi)使用的測試和輔助設(shè)備等，需和人體內(nèi)使用設(shè)備及其放置方式相同。例如，VV-ECMO可使用雙腔靜脈插管，置入動物右頸靜脈至上腔靜脈；VA-ECMO可使用單腔插管，分別置入動物右頸靜脈和右頸動脈。應(yīng)根據(jù)動物的體重及血管條件采用相應(yīng)的插管型號，相關(guān)參數(shù)的設(shè)定盡量標(biāo)準(zhǔn)化，符合ECMO指南或?qū)嵺`，根據(jù)動物的氧合情況動態(tài)調(diào)整參數(shù)設(shè)定。其他操作建議參考人體使用要求并給出合理依據(jù)，如肝素化處理，需要嚴(yán)格控制動物ACT水平，并給出其數(shù)值設(shè)定的依據(jù)。
３、 結(jié)論
ECMO產(chǎn)品的動物試驗(yàn)研究是其安全有效性評價的重要環(huán)節(jié)之一，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)、結(jié)果的可靠可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型提供相應(yīng)的證據(jù)支持，也可為產(chǎn)品能否用于人體研究以及如何更好降低臨床試驗(yàn)受試者及使用者的風(fēng)險提供參考。規(guī)范、科學(xué)、合理的動物試驗(yàn)研究可以通過盡可能少的成本獲得更高質(zhì)量的證據(jù)，也可以更好地促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品研制，提高ECMO產(chǎn)品的可及性，更好服務(wù)于公眾健康。
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【文章來源】北京生物醫(yī)學(xué)工程 第43卷 第1期
京公網(wǎng)安備11010802046783號
