國產支氣管活瓣消除支氣管胸膜瘺引發的氣胸動物實驗

劉顯勇，裴延斌，仇永輝，趙 明，田 慶

1 解放軍醫學院，北京 100853；2 解放軍總醫院第一醫學中心 胸外科，北京 100853

慢性阻塞性肺疾病是一種常見的慢性呼吸道疾病，慢性阻塞性肺疾病患者死亡人數占全球總死亡人數的7%[1]。對于嚴重肺氣腫病患者，肺減容手術可提供臨床和預后獲益，但外科肺減容術有顯著的不良事件和死亡相關風險[2-3]。為進一步改善患者預后，支氣管活瓣被設計出來用于臨床[4]。支氣管活瓣是一種單向活瓣，在吸氣時閥門關閉，防止空氣進入靶肺，呼氣時閥門打開，允許肺內空氣和黏液排出，誘發選定的肺段不張。2008年美國FDA批準支氣管活瓣用于治療難治性氣胸，2018年FDA批準其用于內鏡下肺減容。由于其單向通氣誘導靶肺不張的原理，其適應證不斷拓展，如用于各種合并支氣管瘺[5-6]、復發性咯血治療[7-8]、耐藥性肺結核的治療研究[9]和新冠肺炎并發癥的治療[10-11]。目前市場常見的支氣管活瓣有Zephyr支氣管內膜瓣膜(Pulmonx，美國)和呼吸瓣膜系統(Olympus，日本)。國內僅有Zephyr支氣管內膜瓣膜上市，市場價為3.5萬元人民幣。國產支氣管活瓣以Zephyr支氣管內膜瓣膜為基礎做了改良設計。本研究通過建立支氣管胸膜瘺氣胸模型，評估國產支氣管活瓣的可操作性、有效性和安全性，為進一步臨床試驗奠定基礎。

材料與方法

1 實驗動物 北京實創世紀小型豬養殖基地提供雄性巴馬小型豬6只(月齡12個月，體質量26 ～30 kg)，動物使用許可證號為SCXK(京)2018-0011。

2 實驗藥物和儀器 舒泰50(Virbac，法國)；異氟烷(中牧倍康，中國)；麻醉機(Samvet，美國)；高頻手術電刀(索吉瑞，中國)；頭孢曲松鈉(悅康藥業)；胸腔閉式引流管(新星，中國)；胸腔閉式引流瓶(康生，中國)；便攜支氣管鏡(視新，中國)。

3 支氣管活瓣系統 國產支氣管活瓣根據大小分為兩種型號(表1)，由附著在鎳鈦合金支撐架的硅橡膠覆膜、單向鴨嘴閥組成；包括裝載器系統和遞送器作為壓縮裝載遞送放置的配件。見圖1。

圖1 國產支氣管活瓣系統A：國產支氣管活瓣；B：國產支氣管活瓣裝載器；C：國產支氣管活瓣遞送器Fig.1 Domestic bronchial valve systemA: Domestic bronchial valve; B: Domestic bronchial valve loader; C: Domestic bronchial valve delivery device

表1 國產支氣管活瓣型號(mm)Tab. 1 Type of domestic bronchial valve (mm)

4 支氣管胸膜瘺氣胸模型構建 巴馬小型豬術前禁食8 h，禁水4 h，靜脈注射舒泰50誘導麻醉，2% ～ 3%異氟烷維持，插入7.5號氣管插管下接麻醉機輔助呼吸，進行生命體征監測。取左側臥位第四肋上緣做一個約15 cm長切口，置入肋骨牽開器擴大肋間隙。確定右肺中葉后找到右肺中葉靜脈并用電刀自肺門處向遠端游離。暴露靜脈下方的右肺中葉支氣管遠端并用電刀破壞，形成一個長約0.5 cm的支氣管胸膜瘺(圖2)。在第5肋間放置26Fr胸腔閉式引流管并固定，連接胸腔閉式引流瓶，逐層關閉胸腔。通過胸腔閉式引流瓶評估漏氣情況，有氣泡冒出為氣胸造模成功(圖3)。

圖2 綠色箭頭所指為被游離的靜脈，靜脈下方為被破壞的支氣管；黃色箭頭所指為支氣管瘺Fig.2 The green arrow indicates the free vein and the destroyed bronchus below the vein; The yellow arrow indicates bronchial fistula

圖3 留置胸管接水封瓶內見氣泡冒出，表明造模成功Fig.3 Bubbles appear in the water sealed bottle connected to the indwelling chest tube, indicating that the modeling is successful

5 支氣管活瓣置入 氣胸模型構建后，使用便攜支氣管鏡經氣管插管進行檢查，找到右肺中葉支氣管，評估所需放置國產支氣管活瓣大小。將合適的支氣管活瓣置入右肺中葉支氣管開口，確保支氣管活瓣正確在位、工作正常后(圖4)，撤出支氣管鏡。增加潮氣量，通過胸腔閉式引流瓶觀察漏氣情況，確認沒有漏氣和液體引出后，拔除胸腔閉式引流管，關閉引流管口，手術結束。手術時肌注頭孢曲松鈉1.0 g，術后持續肌注3 d，1.0 g/d。1.5個月后處死動物并行支氣管鏡檢查，觀察支氣管活瓣是否仍正確在位正常工作。

圖4 置入右肺中葉支氣管的支氣管活瓣Fig.4 Bronchial valve was inserted into the bronchus of right middle lobe

6 評價指標 氣胸模型評價：造模術后觀察胸腔閉式引流瓶是否有氣泡冒出。支氣管活瓣評價：1)可操作性，觀察支氣管活瓣能否順利壓縮裝載并順利放置以及放置后的支氣管活瓣是否正確在位；2)有效性，觀察放置后的支氣管活瓣能否正常工作，胸腔閉式引流是否持續有氣泡冒出(氣泡停止冒出證明支氣管活瓣有效)；3)安全性，實驗過程中觀察動物生命體征，能否順利蘇醒，手術結束后觀察1.5個月后處死，觀察是否有發熱、感染、氣胸復發、呼吸衰竭等手術并發癥和支氣管活瓣相關不良事件。

結 果

1 氣胸模型構建情況 6只動物支氣管胸膜瘺模型均造模成功，均在開胸手術和瓣膜植入后存活，操作過程中沒有出現嚴重的手術并發癥，術中血氧血壓心率體溫平穩，平均手術時長181.7 min。氣胸模型構建成功后，胸腔閉式引流瓶在吸氣時能觀察到氣泡冒出，為重度氣胸。見表2。

2 支氣管活瓣放置評價 所有支氣管活瓣均能正常裝配放置，放置后閥門正常工作。在放置合適的支氣管活瓣后胸腔閉式引流瓶中不再有氣泡冒出，證明氣胸引發的漏氣已經停止，平均漏氣持續時間為4.2 min。第3只巴馬小型豬手術過程中因首次放置支氣管活瓣時未能準確評估放置活瓣的大小，導致漏氣持續了61 min，更換了更大的A型活瓣后，漏氣在3 min后停止，其余動物均一次性放置成功。所有動物在手術期間和結束后，沒有動物出現低氧血癥、支氣管痙攣或呼吸窘迫。見表2。

表2 巴馬小型豬氣胸模型構建及支氣管活瓣放置情況Tab. 2 Construction of pneumothorax model and placement of bronchial valve

3 術后情況 術后有1只巴馬小型豬出現傷口紅腫，未見明顯感染跡象。術后觀察1.5個月，所有動物均正常存活，沒有出現發熱、感染、氣胸復發、呼吸衰竭等手術并發癥。行支氣管鏡檢查時發現6只巴馬小型豬中有2只未發現此前植入的支氣管活瓣，另外4只的支氣管活瓣仍正確在位，其上覆蓋痰液，將痰液吸盡后可見支氣管活瓣正常工作。

討 論

我們選擇用豬作為模型動物是因為豬的肺葉和支氣管解剖組織學結構與人類相似[12-13]。豬的左肺與人的左肺相似，由頭葉和尾葉組成。左頭葉支氣管分為頭段支氣管和尾段支氣管。這類似于人的固有上葉和舌葉。與人類右肺有三個肺葉不同，豬右肺分為四個肺葉——頭葉、中葉、副葉和尾葉[12]。根據我們的預實驗和豬肺解剖特點，我們認為右肺中葉是最佳的試驗部位。

氣胸動物模型構建可大致分為三種：1)將外界氣體通過注射器等設備穿透胸壁直接注入胸腔，或直接破壞胸壁[14-16]；2)直接將肺組織破壞形成肺泡胸膜瘺，如將肺組織剪破[17]；3)進行肺葉切除或肺段切除將離斷的支氣管留下瘺口形成支氣管胸膜瘺或通過各種形式破壞支氣管[18]。第1種動物模型不適用于我們的研究。我們在預實驗中發現，第2種破壞肺組織的胸膜瘺的漏氣量較小，如果擴大傷口則會導致較多的出血，凝血塊會將肺裂口封堵，而更深的傷口會剪破支氣管形成支氣管胸膜瘺，同時也會破壞支氣管上方的動脈或下方的靜脈，造成較多的出血，對動物造成不必要的傷害。單純破壞支氣管造成支氣管胸膜瘺，通過外科手術完全可以避免相關動靜脈的損傷和肺組織的切除，對實驗動物的傷害降至最小，所以選擇第3種方式。

第3只巴馬小型豬手術中放置支氣管活瓣后直到61 min后漏氣才停止是因為第1次放置的支氣管活瓣是尺寸較小的B型，經過觀察和重復放置，最終在更換為更大的A型支氣管活瓣后，漏氣于3 min后停止。支氣管介入治療氣胸失敗的部分原因是術前無法準確評估氣胸的情況，無法準確判斷漏氣位點，我們在開胸手術時就已經十分明確地破壞了右肺中葉遠端支氣管，可以省略對氣胸部位的判斷。但因為未能準確評估右肺中葉支氣管直徑，導致首次放置支氣管活瓣后沒有完全停止漏氣，在更換適合的支氣管活瓣后漏氣立刻停止。術后行氣管鏡檢查，其中2只未能發現支氣管活瓣，考慮其中影響因素有：1)豬的依從性差，活動劇烈頻繁；2)支氣管活瓣是根據人體支氣管解剖結構設計，與豬的支氣管解剖結構存在差異，以及豬個體之間的差異；3)豬為爬行動物，與人類行走活動方式存在差異，也可能存在一定的影響。

我們基于Zephyr支氣管內瓣膜的啟發，結合臨床體驗，與國內廠家合作成功研發具有自主知識產權的支氣管內活瓣系統。盡管國內工廠制作工藝尚不成熟，在前期研發測試過程中問題不斷，但經過不斷改進后國產支氣管活瓣相比Zephyr支氣管內瓣膜還是有著很多的優勢。與Zephyr支氣管內瓣膜相比，國產將活瓣口更大，支撐架的設計改為金屬網格，覆膜材料為高分子生物膠水，裝載器做了全新的設計。嚴重肺氣腫的患者肺順應性較差，我們將支氣管活瓣閥門口加大，利于快速排氣。支氣管活瓣在長期留置的過程中有支氣管活瓣被咳出的報道[19]，國產支氣管活瓣的金屬網格設計具有良好的力學功能，能夠更好的固定；同時適應呼吸介入器械的尺寸，便于其他器械或術式的臨床操作。高分子生物膠水覆膜相比Zephyr支氣管內瓣膜使用的硅膠覆膜，具有柔韌性好、活瓣開閉順暢、生物相容性好的技術有點。裝載器也做了全新的設計，外觀更加美觀，操作也更加方便。裝載器由底座、彈簧、上蓋、漏斗筒、套筒、推送桿、穿過支氣管活瓣并固定于套筒上的絲線組成。支氣管活瓣放置在漏斗筒內，需要使用時只要將套筒向外拉動，支氣管活瓣就會被套接在活瓣和套筒上，經漏斗筒壓縮至適合氣管鏡工作通道的直徑。支氣管活瓣被壓縮后，使套筒回到原位，將線剪斷，可將套筒和穿過支氣管活瓣的絲線脫離。將遞送導管底座內的卡槽與漏斗筒口對合，推送桿自底座另一端入口插入，壓縮好的支氣管活瓣推送入遞送導管，壓縮進入遞送導管的支氣管活瓣便可以順利通過支氣管鏡的工作通道植入到靶肺支氣管。

本研究合理選擇實驗動物和實驗方式，成功使用國產支氣管活瓣消除支氣管胸膜引發的氣胸，證明了國產支氣管活瓣的可操作性、有效性和安全性。本研究的局限性：1)盡管豬肺的解剖結構與人類相似，但仍存在一定差異，無法完全模擬支氣管活瓣在人體的情形。2)大量氣胸首選治療方式為留置胸腔閉式引流管，經持續引流7 d以上未能治愈則為難治性氣胸。我們原本的實驗設計是在造成氣胸留置胸管7 d后再行支氣管活瓣治療，但預實驗過程中動物依從性差，留置的胸腔閉式引流袋僅留置1 d左右便脫落，導致胸管與外界相通，形成開放性氣胸并造成了膿胸。因此后續造成氣胸后便直接用支氣管活瓣治療，在治療前缺少一個持續引流觀察的過程，沒有與胸腔閉式引流形成前后對照。3)觀測時間有限，僅1.5個月，缺乏遠期的安全性和有效性評估。

綜上所述，國產支氣管活瓣能夠及時有效地消除支氣管胸膜瘺引發的氣胸，適用于支氣管活瓣治療適應證的患者，具有良好的臨床應用前景。我們還須對國產支氣管活瓣進一步開展遠期動物實驗觀察和臨床試驗。

利益沖突聲明：實驗所用支氣管活瓣由無錫肺暢醫療科技有限公司無償提供。