基于集中参数模型的左心室辅助装置引发右心衰病理机制研究

To date, left ventricular assist devices (LVADs) have become accepted as a therapeutic solution for end-stage heart failure patients when a donor heart is not available. However, the most feared complication, post-operative right heart failure (RHF), has a poor prognosis and may develop in more than 40% of patients undergoing implantation of an LVAD. RHF is associated with a mortality greater than 70% when the right heart dysfunction occurs. Pathophysiology of RHF post LVAD implantation remains unclear and its diagnosis can be complicated by other clinical symptoms. Therefore, post-LVAD RHF is one of the main challenges that retard the advent of LVAD technology. Ventricular interdependence and increased right ventricular (RV) preload have been recognized to potentially cause RHF during mechanical left ventricular assistance. Furthermore, we believe that the RV preload condition is also altered not only due to recovery of cardiac output but also by an increased renal perfusion, which results in change in blood filtration rate in kidneys and thus total blood volume. We propose to investigate the pathophysiology of post-LVAD RHF using a lumped-parameter model (LP model) previous developed by the applicant. In this study, we will implement additional modules in the LP model to allow our investigation , including baroreflex,ventricular interdependence, and fluid balance modules. We will acquire data from patients with and without an LVAD and conduct a series of animal trials . The results will be collected to form a database of patient physiological profiles. The LP model will be validated under different baseline and assisted physiological conditions. Therefore, the impact on hemodynamic parameters and RV function caused by left ventricular assistance can be accurately simulated and quantitatively analyzed. The study is expected to be a significant contribution to our understanding of RHF induced by LVAD implantation. The results will provide insights into pathophysiology of post-LVAD RHF, bridge the gap of missing sufficient patient data in LVAD research, give indications to prevent the unwanted complications, and ultimately promote the optimal care and therapeutic strategy in patients with an LVAD.

左心室辅助装置是目前技术最成熟、临床应用最广泛的一种人工心脏，在发达国家已延续数以万计末期心衰病人的生命。但是，应用左心室辅助装置后右心衰的发生率高达40%，一旦发生，死亡率高达70%，是临床上非常棘手的并发症，而其预防及诊疗瓶颈在于病理机制缺乏明确解释。本项目在经典心血管集中参数模型基础上，充分考虑神经调控机制、室间隔动力学及体液平衡原理，建立具备完整生理反馈机制的动态集中参数模型，并藉此揭示人工心脏植入后心室减荷量对关键生理参数（心排量、血容量、血管阻抗及心室收缩力等）的影响机理，进而阐明在左心室辅助装置介入下，关键生理参数与血液动力学的关系，据此明确其对引发性右心衰的动态协同影响，最终揭示左心室辅助装置在不同病理状态下的生理相容性。项目的成功实施，将为探索引发性右心衰的病理机制构建一个具有预测性及个体化的虚拟平台，提供优化临床治疗的辅助依据，并推进国内外人工心脏生理相容性的研究进展。

左心室辅助装置（LVAD）是目前技术最成熟、临床应用最广泛的一种人工心脏，在发达国家已延续数以万计末期心衰病人的生命。但是，应用左心室辅助装置后右心衰的发生率高达40%，一旦发生，死亡率高达70%，是临床上非常棘手的并发症。LVAD辅助心衰过程中对于右心造成的容积负荷一直被临床认为是导致左心辅助引发右心衰的重要原因，但此理论尚未得到定量分析的数据支持。..本项目通过分析已发表文献中超过8500名LVAD患者植入装置前的临床数据，建立了LVAD病人的基线生理参数表征数据库；克服了实验手术和影像技术的困难，确立了左右心动态平衡研究的动物实验方案，完成了5例动物实验（4例有效），获得心室容积负荷和LVAD辅助水平之间的变化关系。这部分工作为集中参数模型的初始设置提供临床统计数据和关键在体实验证据，并且可以为LVAD相关基础研究的同行提供有价值的研究资料。..此外，项目在前期心血管集中参数模型基础上，加入了颈动脉窦压力感受性反射机制、室间隔动力学及肾脏体液调节机制；建立了一个新的具备生理反馈机制的动态集中参数模型且完成了该模型的对比验证；进而使用该模型模拟计算了LVAD介入下，心室减荷量对关键生理参数（心排量、血容量、血管阻抗及心室收缩力等）的影响及其与血流动力学的关系，得到左右心室在左心辅助下的相互关系。..结果表明左右心耦合机制和神经自动调节在不同心衰程度和不同LVAD辅助水平下，对右心的容积负荷以致右心功能有不同程度的影响，揭示了LVAD在不同病理状态下具有不同的生理相容性。本项目结果表明，在使用集中参数模型研究机械循环辅助下的血流动力学时，生理调节机制和左右心机械耦合机制有其不可忽略性，这正是目前广为采用的基础模型的盲点。因此，该模型能为探索左心辅助引发右心衰的病理机制提供一个具有预测性及个体化的虚拟平台，提供优化临床治疗的辅助依据，并推进国内外人工心脏生理相容性的研究进展。