Optimization of suspension support structure of cardiac pump and analysis of anti-hemolysis function
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摘要:目的
优化心脏泵的支承结构，以期增加悬浮力和减少溶血。
方法设计新型离心式心脏泵的悬浮支承结构，在导流锥附近设计扇形开孔，在悬浮轴承底部设计辅助叶片，并通过计算流体动力学方法比较改进结构前后心脏泵的悬浮力和抗溶血性能。
结果改进后心脏泵出入口压差值随流量增大而减小，且随叶轮转速提高而增大，与心脏泵在流体中流量压差情况相同，心脏泵的压差值在允许范围内。叶轮内血液最大速度低于溶血易发生速度（6 m/s），结构改进具有可行性。改进后，叶轮上下表面的压差随着流量的增大而减小，轴向方向向上的悬浮力增大，叶轮受到的悬浮力增加，悬浮性能得到改善；在液力轴承悬浮间隙处，流体平均流速提升，心脏泵底部区域的剪切应力最大值与高剪切应力区域占比均相对降低；液力轴承悬浮间隙处和底部区域溶血减少，改进结构后的心脏泵溶血指数相较于改进前降低了12%。
结论优化后的心脏泵悬浮性能得到改善，且溶血指数降低。改进的悬浮结构也可应用于其他离心式心脏泵，其在增加心脏泵悬浮力与减少悬浮轴承间隙处溶血方面具有实际价值。
Abstract:ObjectiveTo optimize the supporting structure of the heart to increase the suspension force and reduce hemolysis.
MethodsThe suspension support structure of a new centrifugal heart pump was designed, the fan-shaped opening was designed near the diversion cone and the auxiliary blade was designed at the bottom of the suspension bearing. The suspension force and hemolysis performance of the heartpump before and after optimization were compared by using the computational fluid dynamics method.
ResultsAfter improvement, the inlet and outlet pressure difference of the heart pump decreased with the increase of the flow rate, and increased with the increase of the impeller speed. It was the same as the flow pressure difference of the heart pump in the fluid, and the pressure difference of the heart pump was within the allowable range. The maximum blood velocity in the impeller was less than the rate of hemolysis (6 m/s). Structural improvement was feasible. The pressure difference between the upper and lower surfaces of the impeller decreased with the increase of flow rate, and the axial upward suspension force increased, the suspension force of the impeller increased, and the suspension performance was improved. At the suspension gap of the hydraulic bearing, the average fluid velocity increased, the maximum shear stress and the proportion of high shear stress in the bottom region of the heart pump were relatively reduced, and the hemolysis indexes at the suspension gap and the bottom region of the hydraulic bearing was decreased, and the hemolysis indexes of the heart pump was reduced by 12% after the improved structure compared with that before the improvement.
ConclusionThe suspension performance of the optimized heart pump is improved and the hemolysis indexes are reduced. The improved suspension structure can also be applied to other centrifugal heart pumps, which has practical value in increasing the suspension force of the heart pump and reducing hemolysis in the suspension bearing clearance.
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Keywords:
- centrifugal heart pump /
- suspension bearing /
- suspend gap /
- hemolysis indexes /
- suspension force
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参附注射液的主要成分有人参和附子提取物，作用机制主要包括增强心肌收缩力、扩张冠状动脉、改善微循环以及抗血栓形成等[1]。药理研究[2]发现，人参皂苷具有抗氧化、抗炎和抗血小板聚集等作用，附子中的生物碱具有镇痛、抗炎、扩张冠状动脉等功效[3]。因此，参附注射液可以通过多方面协同作用，在一定程度上改善急性心肌梗死(AMI)患者的心功能，减轻临床症状，提高生活质量[4]。细胞焦亡是指细胞在一系列内部及外部环境刺激下发生的一种被动性死亡过程。与凋亡相比，细胞焦亡通常是由外部环境急剧变化或者恶劣条件所致，如突发的缺血、缺氧等[5]。细胞焦亡与AMI存在紧密关联，在AMI中扮演着重要角色[6]。本研究探讨参附注射液辅助治疗对AMI大鼠NOD样受体蛋白3(NLRP3)/半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶1(Caspase-1) 介导的细胞焦亡信号通路以及炎性水平的影响机制，现报告如下。
1. 材料与方法
1.1 动物来源
随机选择7周龄SPF级健康雄性Wistar大鼠40只(平均体质量为160 g), 购自北京维通利华实验动物技术有限公司，许可证号: SCXK(京)2020-0005。适宜环境正常饲养1周后进行实验。
1.2 实验分组及处理
40只大鼠随机分为假手术组、模型组、倍他乐克组和联合组，每组10只，除了假手术组，其他3组采用结扎左冠状动脉前降支的方法复制AMI模型。主要流程为: 腹腔注射1%戊巴比妥钠(2 mL/kg)进行麻醉处理，将大鼠置于实验台上并连接生物信息采集系统，顺利进行气管插管后连接小动物呼吸机，调整潮气量(10 mL/kg)和呼吸频率(呼吸比1∶ 1, 呼吸频率90次/min)。经胸骨左侧第3~4肋间手术入路，撑开肋骨暴露心脏，于左心耳下缘与心尖连线中点上方2~3 mm处用6-0缝合针结扎左冠状动脉前降支，观察可见心尖左前壁心肌发白，心电图肢体导联ST段弓背抬高持续0.5 h以上可判断为AMI造模成功[6]。假手术组只穿线不结扎。术后大鼠放置于40 ℃恒温电热毯上保温，苏醒后放回干净笼舍继续正常饲养。
造模后，倍他乐克组给予倍他乐克(阿利斯康制药有限公司，批号H32025391, 每片25 mg), 生理盐水配成质量浓度为0.9 mg/kg混悬液。联合组应用倍他乐克0.9 mg/kg联合参附注射液(雅安华润三九药业有限公司，国药准字Z20043116, 规格为每支100 mL)6 mL/kg, 假手术组和模型组给予等量生理盐水灌胃，连续处理3周。
1.3 检测方法
1.3.1 酶联免疫吸附测定(ELISA)
检测造模前、造模后和治疗3周后大鼠血清肌钙蛋白I(cTnI)和肌酸激酶同工酶(CK-MB), 以及白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1β(IL-1β)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α), 采集鼠尾静脉血10 mL, 处理后根据ELISA试剂盒(购自江苏碧云天科技有限公司)说明书步骤进行检测。
1.3.2 心脏彩超
手术操作再灌注3 d后，各组大鼠予以心脏彩色超声检测，探头采用小动物S12超声探头，频率设定6~12 MHz, 探头切迹朝向大鼠头部，观察大鼠心脏运动稳定后，测定左心室射血分数(LVEF)、左心室收缩末期内径(LVESD)、左心室舒张末期内径(LVEDD)等心脏参数。上述参数均由本院高年资的有经验的B超技师负责收集，每项指标均检测3次，最后取平均值为准。
1.3.3 四唑红(TTC)染色
TTC染色测量造模后(每组3只)和治疗3周后(每组7只)大鼠心肌梗死面积，沿正中线打开胸腔，取出心脏用生理盐水冲洗干净, -20 ℃冷冻15 min, 沿心脏垂直长轴横切制成厚约1 mm的切片，置于2% TTC染液中37 ℃恒温孵育24 h。应用Imagepro plus软件进行计算，心肌梗死范围=左心室梗死区面积/(左心室总面积-左心腔面积)×100%。
1.3.4 实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)
qRT-PCR法检测心肌NLRP3 mRNA和Caspase-1 mRNA表达。TRIzol试剂提取总RNA, 微量分光光度计检测分子浓度，根据反转录试剂盒说明书合成cDNA, 以cDNA为模板进行PCR反应，引物由上海生工公司设计合成。引物序列: NLRP3 , 上游5′-CTCATGCCCTCCAGCCAG-3′, 下游5′-GGTCCAAGGCCAGCTCTG-3′; Caspase-1 , 上游5′-ATCGCGCTACAGT-3′, 下游5′-CGTGCACAGTGCGAT-3′; 内参GAPDH, 上游5′-CTGCGGAAAGTGCTCATCAGT-3′, 下游5′-TG GCAGAGCGAACAATAAGGC-3′。反应条件: 94 ℃预变性5 min; 94 ℃变性30 s、60 ℃退火30 s、72 ℃延伸30 s, 共40个循环。反应体系: SYBR Green Master Premix 10 μL、上下游引物各1 μL、cDNA 1 μL、双蒸水7 μL。采用2-△△Ct法计算目的基因相对于内参GAPDH的表达量。
1.3.5 Western blot
各组大鼠心室肌组织剪碎匀浆后，加细胞裂解液充分裂解，再离心分离收集组织液的总蛋白。以GAPDH蛋白为内参，分别取待检标本总蛋白和GAPDH蛋白各30 μg。制备分离胶, 10%十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)。将上述混合液经过蛋白电泳分离后，转印到PVDF膜上，在37 ℃环境温度下用5%胎牛血清封闭2 h。加入抗大鼠NLRP3 (1∶ 5 000)、Caspase-1(1∶ 5 000)或GAPDH(1∶ 5 000)一抗稀释液，混匀后在4 ℃下静置过夜。弃去一抗，采用磷酸盐缓冲液(PBS)液洗涤3次，加1∶ 500兔抗大鼠IgG二抗，在室温下孵育2 h。再用PBS液洗涤3次。加入ECL试剂显影定影，以蛋白条带分析软件计算目标蛋白条带的相对浓度，计算NLRP3、Caspase-1蛋白各自与GAPDH蛋白条带的灰度比值。
1.4 统计学方法
采用SPSS 20.0统计软件进行数据处理，计量资料采用均数±标准差表示，多组间比较采用单因素ANOVA分析，两两比较采用LSD-t法检验，多个时间点数据比较采用整体重复测量的方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 各组大鼠不同时点cTnI和CK-MB水平比较
所有大鼠均存活至实验结束。与假手术组相比，模型组造模后和治疗3周后大鼠血清cTnI和CK-MB水平升高，差异有统计学意义(P＜0.01); 与模型组相比，联合组和倍他乐克组治疗3周后cTnI和CK-MB水平降低，且联合组cTnI和CK-MB水平低于倍他乐克组，差异均有统计学意义(P＜0.05)。见表 1。
表 1 各组大鼠不同时点cTnI和CK-MB水平比较(x±s)组别 cTnI/(ng/mL) CK-MB/(U/L) 造模前 造模后 治疗3周后 造模前 造模后 治疗3周后 假手术组 0.05±0.01 0.06±0.01 0.07±0.01 3.03±0.15 5.04±0.26 5.23±0.16 模型组 0.06±0.01 3.56±0.24** 3.42±0.25** 2.83±0.05 56.53±8.87** 50.16±8.78** 倍他乐克组 0.04±0.01 3.59±0.26** 2.41±0.22**# 2.68±0.08 60.25±10.16** 31.19±6.46**# 联合组 0.06±0.01 3.62±0.35** 0.59±0.03**#△ 3.13±0.15 58.87±10.46** 10.16±3.16**#△ cTnI: 肌钙蛋白I; CK-MB: 肌酸激酶同工酶。
与假手术组比较, * * P＜0.01; 与模型组比较, #P＜0.05; 与倍他乐克组比较, △P＜0.05。2.2 各组大鼠不同时点炎症指标比较
与假手术组相比，模型组造模后和治疗3周后大鼠血清IL-6、IL-1β和TNF-α水平升高，差异有统计学意义(P＜0.01); 与模型组相比，倍他乐克组和联合组治疗3周后IL-6、IL-1β和TNF-α水平降低，且联合组上述指标水平低于倍他乐克组，差异有统计学意义(P＜0.05)。见表 2
表 2 各组大鼠不同时点IL-6、IL-1β和TNF-α水平比较(x±s)mg/L 组别 IL-6 IL-1β TNF-α 造模前 造模后 治疗3周后 造模前 造模后 治疗3周后 造模前 造模后 治疗3周后 假手术组 0.52±0.05 1.23±0.16 0.88±0.14 0.29±0.06 0.92±0.12 0.63±0.07 0.78±0.12 1.78±0.36 1.32±0.24 模型组 0.62±0.11 12.25±2.25** 9.80±2.09** 0.30±0.08 8.90±0.54** 8.13±0.45** 0.78±0.15 20.24±3.15** 16.76±2.77** 倍他乐克组 0.68±0.06 13.47±2.36** 6.50±1.16**# 0.40±0.05 9.20±0.66** 5.45±0.25**# 1.03±0.14 23.45±3.52** 10.16±1.57**# 联合组 0.59±0.05 14.52±2.55** 2.30±0.15**#△ 0.40±0.06 9.00±0.68** 1.25±0.06**#△ 0.88±0.16 25.45±4.16** 4.17±0.26**#△ IL-6: 白细胞介素-6; IL-1β: 白细胞介素-1β; TNF-α: 肿瘤坏死因子-α。与假手术组比较, * * P＜0.01;
与模型组比较, #P＜0.05; 与倍他乐克组比较, △P＜0.05。2.3 各组大鼠不同时点心室超声结构指标比较
与假手术组相比，模型组造模后和治疗3周后大鼠LVEF降低，LVEDD升高，差异有统计学意义(P＜0.01); 与模型组相比，倍他乐克组和联合组治疗3周后LVEF升高, LVEDD降低，且联合组LVEF高于倍他乐克组, LVEDD低于倍他乐克组，差异均有统计学意义(P＜0.05)。见表 3。
表 3 各组大鼠不同时点心室超声结构指标比较(x±s)组别 LVEF/% LVEDD/mm 造模前 造模后 治疗3周后 造模前 造模后 治疗3周后 假手术组 76.41±3.01 77.12±3.13 76.86±3.25 5.24±0.31 5.29±0.25 5.21±0.26 模型组 77.30±2.87 51.02±2.56** 52.36±2.43** 5.30±0.26 6.05±0.19** 6.02±0.26** 倍他乐克组 78.03±2.92 55.18±2.72** 58.53±2.51**# 5.27±0.28 5.82±0.28** 5.71±0.28**# 联合组 75.82±2.83 60.41±2.23** 67.53±2.64**#△ 5.26±0.30 5.73±0.22** 5.46±0.35**#△ LVEF: 左心室射血分数; LVEDD: 左心室舒张末期内径。与假手术组比较, * * P＜0.01; 与模型组比较, #P＜0.05;
与倍他乐克组比较, △P＜0.05。2.4 各组大鼠不同时点心肌梗死面积比较
与假手术组相比，模型组造模后和治疗3周后心肌梗死面积增大，差异有统计学意义(P＜0.01); 与模型组相比，倍他乐克组和联合组治疗3周后心肌梗死面积减小，且联合组心肌梗死面积小于倍他乐克组，差异有统计学意义(P＜0.05)。见图 1。
2.5 NLRP3、Caspase-1的mRNA及蛋白表达
与假手术组相比，模型组造模后和治疗3周后大鼠心肌NLRP3和Caspase-1的mRNA及其蛋白表达量升高，差异有统计学意义(P＜0.01); 与模型组相比，倍他乐克组和联合组治疗3周后NLRP3和Caspase-1的mRNA及其蛋白表达量降低，且联合组低于倍他乐克组，差异均有统计学意义(P＜0.05)。见图 2。
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图 2 各组大鼠心肌NLRP3和Caspase-1 mRNA及蛋白表达A: NLRP3 mRNA和Caspase-1 mRNA表达水平; B: NLRP3和Caspase-1蛋白表达。
与假手术组相比, **P＜0.01; 与模型组相比, #P＜0.05; 与倍他乐克组比较, △P＜0.05。3. 讨论
参附注射液作为一种中药制剂，具有活血化瘀、抗炎镇痛、扩张冠状动脉、减轻心肌损伤等作用。临床研究[7-8]表明，参附注射液能够有效改善心肌梗死患者心肌的缺血缺氧状态，减轻心绞痛症状，促进心肌坏死组织修复，从而对心肌梗死具有一定的治疗作用。在临床上，参附注射液作为辅助治疗手段应用于心肌梗死、心力衰竭等患者[9]。刘海燕等[10]研究表明，参附注射液能够保护心力衰竭大鼠的心脏功能，减轻氧化应激反应，抑制炎症因子表达，可能与激活P13K/Akt/mTOR信号通路有关。WANG X等[11]在中国大陆10个中心开展了一项多中心、随机、双盲、平行组、安慰剂对照试验RESTORE(NCT04493840), 共入选326例首次前壁ST段抬高型心肌梗死(STEMI)患者，在症状出现后12 h内接受初次经皮冠状动脉介入治疗(PPCI), 然后以1∶ 1方式随机分成再灌注前接受静脉注射参附注射液组(参附注射液80 mL联合5%葡萄糖注射液70 mL)和安慰剂组(5%葡萄糖注射液150 mL), 每天1次，直到PPCI后5 d。主要终点是PPCI后(5±2) d心脏磁共振成像评估梗死面积，次要终点包括微血管阻塞、心肌内出血、左心室容积和射血分数，以及30 d内的主要心血管不良事件，结果证实参附注射液对接受PPCI的STEMI患者心肌损伤有较好的临床疗效。参附注射液常见的不良反应包括低血压、恶心、呕吐、注射部位疼痛等，需要密切监测患者的生命体征和不良反应，及时调整用药剂量，做好护理工作，减少不良反应的发生。
细胞焦亡在心肌梗死中同样扮演重要的角色。在心肌梗死的发展过程中，细胞焦亡导致心肌细胞大量死亡，进一步加重心肌损伤程度，加速心肌坏死区域扩展，导致心功能急剧下降，还可能诱发严重的心律失常及心力衰竭[12-13]。因此，阻止或减少细胞焦亡在心肌梗死中的进程，对于挽救患者的心功能和改善预后具重要的临床意义。细胞焦亡是一种细胞程序性死亡形式，涉及细胞内部的炎症和信号通路，这个过程机制包括细胞内蛋白质聚集、线粒体功能损伤以及细胞膜的通透性改变，导致促炎因子的释放和促进炎症反应的启动，其对机体的免疫调节和应对外界伤害具有重要的意义[14-15]。NLRP3是一种重要的免疫调节功能蛋白，在细胞内信号传导和炎症反应中发挥重要的作用。NLRP3通路的活化可以引发炎症小体的形成，促进促炎因子IL-1β和IL-18的成熟和释放[16-17]。Caspase-1是一种关键的促炎酶，主要参与机体炎症反应的调节以及细胞凋亡的执行。活化后的Caspase-1能够介导IL-1β和IL-18等促炎因子的成熟和释放，加剧炎症反应[18-19]。此外, Caspase-1还能在一定条件下介导细胞凋亡过程，促进受损细胞的死亡[20-21]。因此, Caspase-1在炎症和细胞凋亡中发挥着关键的作用。细胞焦亡与NLRP3/Caspase-1信号通路存在着密切的联系。一方面，细胞焦亡的发生可以活化NLRP3通路，引起炎症小体的形成和促炎因子的释放[22-23]; 另一方面, NLRP3通路的异常激活也可能加剧细胞焦亡的进程[24-25]。这种相互促进的关系使得细胞焦亡和NLRP3/Caspase-1信号通路在多种疾病的发生发展过程中产生协同作用，影响炎症反应和细胞存活[26-27]。
本研究结果显示，模型组造模后和治疗3周后大鼠血清cTnI、CK-MB、IL-6、IL-1β和TNF-α水平、心肌梗死面积、心肌NLRP3和Caspase-1的mRNA及其蛋白表达量较假手术组显著升高(P＜0.05), 提示炎症反应和心肌NLRP3/Caspase-1介导的细胞焦亡参与了AMI的发生及演变过程; 倍他乐克组和联合组治疗3周后cTnI、CK-MB、IL-6、IL-1β和TNF-α、心肌梗死面积、 NLRP3和Caspase-1的mRNA及其蛋白表达量较模型组显著降低，且联合组显著低于倍他乐克组(P＜0.05), 提示参附注射液辅助西药治疗AMI能够进一步降低心肌损伤和心肌梗死面积，抑制炎症反应和细胞焦亡活性，较单纯西药效果更明显。
综上所述，参附注射液辅助治疗AMI能够进一步降低心肌细胞损伤和梗死面积，抑制炎症反应和细胞焦亡活性。
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表 1 改进结构前后叶轮上下表面压差值
mmHg 时点 流量 5 L/min 6 L/min 7 L/min 改进结构前 8.3 5.5 3.5 改进结构后 21.2 18.5 16.3 
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