引言
体外膜氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）是一种将体内的静脉血引出体外，经过特殊材质人工心肺旁路氧合后注入患者动脉或静脉系统，起到部分心肺替代作用，可维持人体脏器组织氧合血供的技术。ECMO作为体外生命支持（extracorporeal life support，ECLS）技术的一种，能够对急性呼吸和/或循环（急性心肺）衰竭患者进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，从而为患者原发病的诊治争取时间。根据治疗方式和目的不同，ECMO技术主要有静脉到静脉（VV-ECMO）和静脉到动脉（VA-ECMO）两种形式，前者仅具有呼吸辅助作用，而后者同时具有循环和呼吸辅助作用。根据其连接所用器械不同，可分为膜式氧合器、离心泵泵头、体外循环管路和体外循环插管等无源产品，以及离心泵、控制台、加热/制冷设备、空氧混合器等有源产品。
由于ECMO技术门槛高，且设备价格昂贵，因此对操作人员要求较高，而且关键核心技术被美欧少数企业所垄断等原因，特别是疫情以来，越来越多的企业着手开展相关产品的研制。在产品研制和开发过程中，企业需要对定型产品进行必要的性能验证，以更好地满足临床需要。考虑到ECMO产品的风险主要包括长时间使用条件下因材料选择、氧合器中膜丝编织方式、泵头的设计等与血液直接接触的产品带来的血液损伤等，同时由于血液难以承受体外长时间的运转等因素，该部分的性能验证难以通过常规的体外研究进行验证，需要通过适宜的动物研究进行评价。另一方面，动物试验研究可为产品设计定型提供相应的证据支持，为临床试验设计提供参考，以便降低临床试验受试者及使用者的风险。因此，对产品开展必要的动物研究具有非常重要的意义。
目前，国际监管机构也对ECMO产品的动物试验提出了要求。日本医药品医疗器械综合机构（Pharmaceuticals and Medical Devices Agency, PMDA）于2021年发布了《中长时间呼吸/循环辅助（ECMO / PCPS）系统评估指南》明确了体外膜氧合产品动物试验的观察指标、观察时间、样本等要求。美国FDA在对ECMO耗材上市前审查时也有具体的动物试验的要求。本文主要是在相关监管机构发布或提出的要求基础上，结合相关文献研究，给出针对ECMO产品动物试验研究的基本要求，以期为相关产品的开发、研制等提供参考。
1、动物试验研究的参考指南和基本要求
动物试验研究根据目的主要分为安全性研究和有效性研究。安全性方面，考虑到ECMO是一项技术复杂和并发症较多的生命支持技术，因此，考察和评价ECMO产品的安全性是其综合评价中的重要部分。基于目前ECMO技术的临床使用经验[1-5] 、临床 前 研 究 经 验[6]和 国 际 体 外 生 命 支 持 组 织（Extracorporeal Life Support Organization, ELSO）发布的指南性文件，该类产品在动物试验研究过程中需要考虑的风险主要包括以下几个方面。
（1）血小板减少症：ECMO产品使用过程中会与血液发生接触，可能会对血小板产生损害，进而导致出血倾向。
（2）溶血：红细胞可能会因体外循环的机械作用、材料或表面特征受损而产生溶血。
（3）组织不良反应：若接触患者血液的材料不具备生物相容性，则该材料可能在患者体内引起不良免疫学反应（如过敏反应、炎症反应 ）。
（4）出血：为了防止体外循环回路凝血，治疗中通常会使用抗凝剂，这可能会在治疗期间引起患者出血风险增加。
（5）血液稀释：体外循环回路的预充可能导致患者血液稀释。
（6）血栓形成：由于血流量不足或抗凝不充分，可能会在体外循环回路内形成血栓。
（7）感染：产品设计或结构缺陷会导致无法充分进行清洁和／ 或灭菌，从而可能引入病原体并可能导致感染。
（8）血管机械损伤：来自于插管时的急性损伤，也可以是插管在长期使用过程中，随着时间推移出现的慢性损伤。
（9）气体栓塞：体外循环回路可能会引入空气并导致气体栓塞。
（10）机械故障：在预期使用期限内，产品设计缺陷、机械完整性问题、回路组件连接或结构方面的不足可能导致循环回路破裂（泄漏）、性能故障等。
有效性方面，需要结合产品本身用途及不同产品的作用进行有效性评价。例如，可考虑氧合器的气体交换性能、离心泵的泵血能力等。对于需验证申报产品在某些功能上的特殊优势时，可考虑与此相关的有效性评价。
2、动物试验研究要点
2.1 动物种类及模型
适用于ECMO产品动物试验研究的试验动物一般为羊、猪等比较大型且相对温顺的动物[7-8] ，主要原因如下。
（1）羊、猪等大型哺乳动物的解剖学、生理学与人体类似，ECMO治疗时器械的放置方式（如插管位置）及相关参数设定与在人体内使用时类似，同时可对动物使用标准的临床重症监护设备，更好地模拟ECMO产品的临床使用环境，便于收集循环监测数据。动物个体较大，也便于获取足够的组织样本以供研究分析所需。而灵长类动物因其高成本、可用性限制等因素，并非适宜的动物种类。
（2）羊、猪等动物模型已广泛用于心血管系统产品的研究，在动物管理方面已有较多的经验。
（3）羊、猪等相对更加温顺的动物，更适用于验证ECMO长期应用性能的动物试验研究。
在动物模型的选择上，是否采用疾病模型可根据动物试验拟验证的问题进行确定。例如，既往常采用闭合动物的冠状动脉建立心源性休克模型，但该模型常容易导致难治性和危及生命的室性心律失常现象等非预期结果。为解决该问题，Heinsar等[9]开发了一种采用注射乙醇即可获得稳定的可重现的心衰及呼吸衰竭模型，且可以有效减少心律失常等非期望结果的出现。但如果仅用于验证新开发产品在不同ECMO支持模式的长期应用性能，可考虑采用健康动物进行试验。但如采用特定疾病模型动物进行试验，需评价动物建模是否成功，动物性别、规格（如年龄和体重）、健康和疾病状态、病原体感染情况等均可能会对动物试验结果和结论造成影响，因此试验用动物选择时宜充分考虑上述因素。
2.2 对照产品的选择
对于该类产品进行基于性能验证或安全性研究的动物试验过程中，考核是否设立对照组需要进行分析论证。例如需验证该产品在某些功能指标上的特殊优势，或验证材料性能对比等情况，如验证膜式氧合器相较于已上市的氧合器产品有更好的生物相容性或更好的氧合能力等，一般建议设立对照组，即在其他条件一致前提下，采用已上市产品的膜式氧合器作为对照。若需设立对照组，可根据评价指标特点等选择对照器械和／或对照材料、对照支持模式等。宜优先选择已上市的同类器械作为对照，若选择非境内已上市产品，需提供其可作为对照器械的合理理由和证据。适当时，动物试验中可设立其他适宜对照组，如其他干预手段。如设立对照组，可考虑随机化的设计并予以描述。
2.3 评价指标的选择
在选择评价指标时，建议综合考虑试验目的、产品特征等因素设定科学、客观的评价指标，并对评价标准进行说明。通常情况下，ECMO产品的动物试验中建议考虑以下方面。
（1）血液相关的实验室检查指标：血常规（白细胞计数、红细胞计数、血小板计数、血红蛋白、红细胞压积）、血生化（总蛋白、白蛋白、球蛋白、丙氨酸转氨酶、谷草转氨酶、谷氨酰转移酶、胆红素、肌酐、尿素氮）、血浆游离血红蛋白、C反应蛋白、凝血（激活全血凝固时间、纤维蛋白原）、血气（氧分压、二氧化碳分压、氧饱和度、pH）等。
（2）病理学相关指标：大体病理学，即对试验动物进行尸检时，需提供主要器官的原位照片，同时关注插管血管是否有机械损伤、主要动静脉（如股静脉／动脉、颈静脉／动脉）中是否有血栓形成、脏器（脑部、肝脏、肾脏、脾脏、肠道、心脏和肺部）是否可见梗死或出血灶等。尸检时发现的任何潜在血栓建议均进行组织病理学检查。采集肺、心、肝、肾和脑组织标本进行组织病理学检查。
（3）生命体征及血流动力学监测：血压（可考虑有创血压监测，获得动脉压、中心静脉压等）、心率、体温、呼吸频率等。
（4）ECMO运行期间监测并记录血流量、气体流量、氧合器的跨膜压差及气体交换性能（O2 输送和 CO2清除）等主要治疗参数，观察器械外观变化，监测可能的器械故障（如泄漏）。对于组件更换需进行记录和原因分析。
（5）定期查看试验动物插管部位是否有机械损伤和感染迹象。
（6）动物试验中，宜对任何安全性事件／异常进行记录和分析。如果发生动物死亡，应详细分析死亡的原因，分析与产品质量的相关性。
（7）试验动物尸检时，应同时观察器械外观变化，可考虑对产品进行剖开检查，关注是否有血栓、赘生物形成，也可以对回收器械进行体外性能检测。
若需验证申报产品的某些特殊功能和／或性能时，可选择针对相关功能和／或性能的特定评价指标，同时提供相关评价指标的确定依据。例如，某些情况下需要验证新开发产品在满足临床ECMO应用需求前提下，具有更好的相容性等时，则需要专门针对相容性的指标进行细化。
2.4 其他考虑
依据医疗器械动物试验研究的一般要求[2]，在进行ECMO产品的动物试验研究过程中，还应考虑以下几点。
2.4.1 观察时间
针对ECMO产品，观察时间点建议至少包含试验动物基线、ECMO启动后及ECMO治疗完成时，而在ECMO治疗过程中制定具体的观察时间点还需要结合试验设计、整体观察时间长短、评价指标等因素进行综合考虑。例如，在急性反应期（例如前2~3ｄ）可每隔2~6ｈ或近似时间观察相关指标变化，进入稳定期后可每隔12~24ｈ或近似时间设置观察时间点。指标观察等时间可根据观察指标的不同进行调整，例如，进入稳定期后对于ACT、血气仍可每6h监测一次。
2.4.2 样本量
一般情况下，动物试验样本量需结合试验目的、设计类型、评价指标及评价方法的准确性、试验器械及对照器械的情况、试验用动物的变异性、操作的一致性、试验中动物的预期损耗率、分析数据所用的统计学方法等因素来综合确定。可将现有的实验数据作为确定样本量的参考，包括文献报道的动物试验或申报产品的预实验情况。针对羊、猪等比较大型且相对温顺的动物而言，一般建议每组完成有效试验的动物样本量不少于5只。对于氧合器产品，若产品同时宣称用于两种模式 (VV-ECMO和VA-ECMO），则需分组分别评价。
2.4.3 操作要求
在动物体内使用的测试和辅助设备等，需和人体内使用设备及其放置方式相同。例如，VV-ECMO可使用双腔静脉插管，置入动物右颈静脉至上腔静脉；VA-ECMO可使用单腔插管，分别置入动物右颈静脉和右颈动脉。应根据动物的体重及血管条件采用相应的插管型号，相关参数的设定尽量标准化，符合ECMO指南或实践，根据动物的氧合情况动态调整参数设定。其他操作建议参考人体使用要求并给出合理依据，如肝素化处理，需要严格控制动物ACT水平，并给出其数值设定的依据。
３、 结论
ECMO产品的动物试验研究是其安全有效性评价的重要环节之一，试验设计的科学、结果的可靠可为产品设计定型提供相应的证据支持，也可为产品能否用于人体研究以及如何更好降低临床试验受试者及使用者的风险提供参考。规范、科学、合理的动物试验研究可以通过尽可能少的成本获得更高质量的证据，也可以更好地促进相关产品研制，提高ECMO产品的可及性，更好服务于公众健康。
参考文献
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【文章来源】北京生物医学工程 第43卷 第1期
