vtioВестник трансплантологии и искусственных органовRussian Journal of Transplantology and Artificial Organs1995-1191Academician V.I.Shumakov National Medical Research Center of Transplantology and Artificial Organs", Ministry of Health of the Russian Federation10.15825/1995-1191-2017-1-22-27vtio-728Research ArticleТрансплантация сердца и вспомогательное кровообращениеHeart Transplantation and Assisted CirculationГемолизные исследования имплантируемого осевого насоса для двухэтапной трансплантации сердца у детейHemolysis research of implantable axial flow pump for two -step heart transplantation in childrenДмитриеваО. Ю.DmitrievaO. Yu.

Москва, Российская Федерация

Moscow, Russian Federation

БучневА. С.BuchnevA. S.

Москва, Российская Федерация

Moscow, Russian Federation

ДробышевА. А.DrobyshevA. A.

Москва, Российская Федерация

Moscow, Russian Federation

ИткинГ. П.ItkinG. P.

Адрес: 123182, Москва, ул. Щукинская, д. 1. Тел. (499) 190-60-34

Address: 1, Shchukinskaya st., Moscow, 123182, Russian Federation. Tel. (499) 190-60-34

georgeitkin@mail.ruФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава РоссииРоссияV.I. Shumakov Federal Research Center of Transplantology and Artificial Organs of the Ministry of Healthcare of the Russian FederationRussian FederationФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России Московский физико-технический институт, кафедра физики живых системРоссияV.I. Shumakov Federal Research Center of Transplantology and Artificial Organs of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation Moscow Institute of Physics and Technology, Department of physics of living systemsRussian Federation2017140420171912227Copyright © Дмитриева О.Ю., Бучнев А.С., Дробышев А.А., Иткин Г.П., 20172017Дмитриева О.Ю., Бучнев А.С., Дробышев А.А., Иткин Г.П.Dmitrieva O.Y., Buchnev A.S., Drobyshev A.A., Itkin G.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.transpl.ru/vtio/article/view/728Введение

Введение. Одним из основных показателей, характеризующих контактирующие с кровью механические устройства (искусственные клапаны сердца, имплантируемые насосы и др.), является травма форменных элементов крови. Последние годы в клиническую практику для лечения детей с терминальными формами сердечной недостаточности все шире внедряются методы механической поддержки кровообращения. При разработке новых насосов одним из ключевых исследований in vitro является оценка гемолиза крови, вызываемой этими насосами. Поэтому на этапах разработки отечественного детского насоса (ДОН) параллельно со снятиями расходно-напорных характеристик нами были проведены исследования по оценке гемолиза. Предварительно был проведен анализ существующих методов и выбран наиболее оптимальный.

Цель

Цель. Разработать стандартизированную методику гемолизных испытаний насосов для крови применительно к отечественному детскому насосу ДОН, на основании которой провести исследования на этапах его разработки.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для проведения гемолизных испытаний создан гидродинамический стенд, состоящий из резервуара, помещенного в водяную баню, поддерживающую постоянную температуру рабочей жидкости (крови), гидродинамического сопротивления, соединительных трубок, порта для забора крови, системы измерения давления и расхода и исследуемого насоса. Методика испытаний заключается в оценке уровня свободного гемоглобина плазмы pHb, получаемого с помощью забора проб крови в процессе работы насоса в рабочем режиме (для детского насоса: расход 2,5 л/мин, перепад давления 80 мм рт. ст.). На основании полученных данных вычисляются стандартизированные индексы гемолиза NIH и МIH, рассчитываемые на основании анализа свободного гемоглобина в плазме проб крови, гематокрита, общего гемоглобина, расхода крови и времени работы насоса.

Результаты

Результаты. Разработана и реализована методика гемолизных испытаний, с помощью которой проведена оценка гемолиза, вызываемого ДОН, результаты которой позволили оптимизировать конструкцию насоса. Полученные значения гемолиза последней версии детского насоса ДОН-3 показали, что они соответствуют требованиям минимальной травмы крови и позволяют перейти к следующему этапу исследований детского насоса – экспериментам на животных.

Заключение

Заключение. Разработанные метод и средства оценки гемолиза крови позволяют дать объективную информацию об одном из наиболее важных показателей разрабатываемого имплантируемого детского осевого насоса и могут быть рекомендованы для проведения гемолизных исследований других конструкций насосов.

Introduction

Introduction. One of the main indicators characterizing mechanical circulatory support devices (artificial valve, implantable pumps, etc.) is trauma of blood cells. Therefore, while developing new pumps, one of the key studies in vitro is to evaluate blood hemolysis. For an objective hemolysis analysis of pump it is required to create a standardized methodology of hemolysis studies. The object of the study in this paper is implantable axial pump DON for two-step heart transplantation in children.

The aim of study is to develop a standardized methodology of hemolysis studies of blood pumps and to conduct research of pediatric axial pump DON.

Materials and methods

Materials and methods. To conduct hemolysis research we created a mock circulatory system consisting of a reservoir placed in water bath maintaining a constant working fluid (blood) temperature, hydrodynamic resistance, connecting tubes, ports for blood sampling and pressure and flow measurement systems, and research pump. Test method is to estimate levels of free hemoglobin pHb obtained by blood samples during pump working in operating mode (for pediatric pump: blood flow 2.5 l/min, pressure difference 80 mmHg). Using the data obtained the standardized indices of hemolysis NIH and MIH are calculated based on pHb values, hematocrit, total hemoglobin, blood flow and working pump time.

Results

Results. We developed and realized a standardized methodology of hemolysis research by which we evaluated hemolysis of pediatric axial pump. The results of hemolysis tests allowed us to optimize the design of DON. Obtained values of hemolysis of the latest version of pediatric pump DON-3 have shown that they do conform to the requirements of minimum blood injury and it allows us to proceed to the next step of pediatric pump research – animal experiments.

Conclusion

Conclusion. Developed methods and evaluation tools of hemolysis allow us to provide objective information on one of the most important indicators of developing implantable pediatric axial pump and they could be recommended for hemolysis research of others pumps.

гидродинамический стендгемолизные испытаниядетский осевой насостерминальная сердечная недостаточностьhydrodynamic mock circulatory systemhemolysis researchpediatric axial pumpend-stage heart failure.ReferencesThrockmorton AL, Chopski SG. Pediatric Circulatory Support: Current Strategies and Future Directions. Biventricular and Univentricular Mechanical Assistance. ASAIO Journal. 2008; 54: 491–497.Throckmorton AL, Chopski SG. Pediatric Circulatory Support: Current Strategies and Future Directions. Biventricular and Univentricular Mechanical Assistance. ASAIO Journal. 2008; 54: 491–497.Rosenthal DN, Almond CS, Jaquiss RD, Peyton CE, Auerbach SR et al. Adverse events in children implanted with ventricular assist devices in the United States: Data from the pediatric interagency registry for mechanical circulatory support (PediMACS). J. Heart Lung Transplant. 2016; 35 (5): 569–577.Rosenthal DN, Almond CS, Jaquiss RD, Peyton CE, Auerbach SR et al. Adverse events in children implanted with ventricular assist devices in the United States: Data from the pediatric interagency registry for mechanical circulatory support (PediMACS). J. Heart Lung Transplant. 2016; 35 (5): 569–577.Zafar F, Jefferies JL, Tjossem CJ, Bryant R, Jaquiss RD, Wearden PD et al. Biventricular Berlin Heart EXCOR pediatric use across the United States. Ann. Thorac. Surg. 2015; 99 (4): 1328–1334.Zafar F, Jefferies JL, Tjossem CJ, Bryant R, Jaquiss RD, Wearden PD et al. Biventricular Berlin Heart EXCOR pediatric use across the United States. Ann. Thorac. Surg. 2015; 99 (4): 1328–1334.Potapov EV, Hetzer R. Pediatric Berlin Heart Excor. Ann. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2006; 12 (2): 15.Potapov EV, Hetzer R. Pediatric Berlin Heart Excor. Ann. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2006; 12 (2): 15.Baldwin JT, Duncan BW. Ventricular assist devices for children. Progress in Pediatric Cardiolog. 2006; 21: 173–184.Baldwin JT, Duncan BW. Ventricular assist devices for children. Progress in Pediatric Cardiolog. 2006; 21: 173–184.Fraser CD, Jaquiss RDB, MD, Rosenthal DN et al. Prospective trial of a pediatric ventricle assist device. New England J. of Medicine. 2012; 367 (6): P532–541.Fraser CD, Jaquiss RDB, MD, Rosenthal DN et al. Prospective trial of a pediatric ventricle assist device. New England J. of Medicine. 2012; 367 (6): P532–541.Itkin GP, Matveev YG, Romanov OV. Comparative hemolysis tests of rotary blood pump. Artificial Organs. 1995; 19 (7): 616–619.Itkin GP, Matveev YG, Romanov OV. Comparative hemolysis tests of rotary blood pump. Artificial Organs. 1995; 19 (7): 616–619.Wurzinger LJ, Opitz R, Eckstein H. Mechanical blood trauma: an overview. Angeiologie. 1986; 38: Р81–97.Wurzinger LJ, Opitz R, Eckstein H. Mechanical blood trauma: an overview. Angeiologie. 1986; 38: Р81–97.Leverett LB, Hellums JD, Alfrey CP, Lynch EC. Red blood cell damage by shear stress. Biophys. J. 1972; 12: 257–272.Leverett LB, Hellums JD, Alfrey CP, Lynch EC. Red blood cell damage by shear stress. Biophys. J. 1972; 12: 257–272.Throckmorton AL, Untaroiu A, Allaire PE, Houston G, Wood HG et al. Computational analysis of an axial flow pediatric ventricular assist. Artificial Organs. 2007; 28 (10): 881–891.Throckmorton AL, Untaroiu A, Allaire PE, Houston G, Wood HG et al. Computational analysis of an axial flow pediatric ventricular assist. Artificial Organs. 2007; 28 (10): 881–891.Paul R, Schügner F, Reul H, Rau G. Recent findings on flow induced blood damage: critical shear stresses and exposure times obtained with a high shear stress Couette system. Artif. Organs. 1999; 23: 680.Paul R, Schügner F, Reul H, Rau G. Recent findings on flow induced blood damage: critical shear stresses and exposure times obtained with a high shear stress Couette system. Artif. Organs. 1999; 23: 680.Yeleswarapu KK, Antaki JF, Kameneva MV, Rajagopal KR. A mathematical model for shear induced hemolysis. Artif. Organs. 1995; 19: 576–582.Yeleswarapu KK, Antaki JF, Kameneva MV, Rajagopal KR. A mathematical model for shear induced hemolysis. Artif. Organs. 1995; 19: 576–582.Apel J, Paul R, Klaus S, Siess Th, Reul H. Assessment of hemolysis related quantitie in a microaxial blood pump by computational fluid dynamics. Artif. Organs. 2001; 25: 341–347.Apel J, Paul R, Klaus S, Siess Th, Reul H. Assessment of hemolysis related quantitie in a microaxial blood pump by computational fluid dynamics. Artif. Organs. 2001; 25: 341–347.Huang CR, Fabisiak W. A rheological equation characterizing both the time dependent and steady state viscosity of human blood. AIChE Symp. Series. 1978; whole: 19–21.Huang CR, Fabisiak W. A rheological equation characterizing both the time dependent and steady state viscosity of human blood. AIChE Symp. Series. 1978; whole: 19–21.Affeld K, Goubergrits L, Holberndt O. Novel cardiac assist valve with a purge flow in the valve sinus. ASAIO J. 1998; 44: M642–647.Affeld K, Goubergrits L, Holberndt O. Novel cardiac assist valve with a purge flow in the valve sinus. ASAIO J. 1998; 44: M642–647.ASTM F1841-97: Standard Practice for Assessment of Hemolysis in Continuous Flow Blood Pumps. 2005.ASTM F1841-97: Standard Practice for Assessment of Hemolysis in Continuous Flow Blood Pumps. 2005.Kawahito K, Nosé Y. Hemolysis in different centrifugal pumps. Artif. Organs. 1997; 21: 323–326.Kawahito K, Nosé Y. Hemolysis in different centrifugal pumps. Artif. Organs. 1997; 21: 323–326.Nakazawa T, Takami Y, Benkowski R, Ohtsubo S, Yukio O et al. Development and Initial Testing of a Permanently Implantable Centrifugal Pump. Artificial Organs. 1997; 17: 597–601.Nakazawa T, Takami Y, Benkowski R, Ohtsubo S, Yukio O et al. Development and Initial Testing of a Permanently Implantable Centrifugal Pump. Artificial Organs. 1997; 17: 597–601.Araki K, Anai T, Oshikawa M, Nakamura K, Onitsuka T. In vitro Performance of a Centrifugal, a Mixed Flow, and an Axial Flow Blood Pump. Artificial Organs. 1998; 22 (5): 366–370.Araki K, Anai T, Oshikawa M, Nakamura K, Onitsuka T. In vitro Performance of a Centrifugal, a Mixed Flow, and an Axial Flow Blood Pump. Artificial Organs. 1998; 22 (5): 366–370.Kawahito K, Nose Y. Hemolysis in Different Centrifugal Pumps. Artificial Organs. 1997; 21 (4): 323–326.Kawahito K, Nose Y. Hemolysis in Different Centrifugal Pumps. Artificial Organs. 1997; 21 (4): 323–326.Kobayashi K, Nitta S, Yambe T, Sonobe T, Naganuma S et al. Hemolysis test of disposable type vibrating flow pump. Artificial Organs. 1997; 21 (7): 691–693.Kobayashi K, Nitta S, Yambe T, Sonobe T, Naganuma S et al. Hemolysis test of disposable type vibrating flow pump. Artificial Organs. 1997; 21 (7): 691–693.Gobel C, Eilers R, Reul H, Schwindke P, Jorger M, Rau G. A New Blood Pump for Cardiopulmonary Bypass: The HiFlow centrifugal pump. Arfificid Orgarns. 1997; 21 (7): 841–845.Gobel C, Eilers R, Reul H, Schwindke P, Jorger M, Rau G. A New Blood Pump for Cardiopulmonary Bypass: The HiFlow centrifugal pump. Arfificid Orgarns. 1997; 21 (7): 841–845.Mueller MR, Schima H, Engelhardt H et al. In vitro hematological testing of rotary blood pumps; remarks on standardization and data interpretation. Artif. Organs. 1993; 17: 103–110.Mueller MR, Schima H, Engelhardt H et al. In vitro hematological testing of rotary blood pumps; remarks on standardization and data interpretation. Artif. Organs. 1993; 17: 103–110.Schima H, Müller MR, Tsangaris S et al. Mechanical blood traumatization by tubing and throttles in in vitro pump tests: experimental results and implications for hemolysis theory. Artif. Organs. 1993; 17: 164–170.Schima H, Müller MR, Tsangaris S et al. Mechanical blood traumatization by tubing and throttles in in vitro pump tests: experimental results and implications for hemolysis theory. Artif. Organs. 1993; 17: 164–170.Tamari Y, Lee-Sensiba K, Leonard EF, Parnell V, Tortolani AJ. The effects of pressure and flow on hemolysis caused by Bio-Medicus centrifugal pumps and roller pumps. Guidelines for choosing a blood pump. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 1993; 106: 997–1007.Tamari Y, Lee-Sensiba K, Leonard EF, Parnell V, Tortolani AJ. The effects of pressure and flow on hemolysis caused by Bio-Medicus centrifugal pumps and roller pumps. Guidelines for choosing a blood pump. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 1993; 106: 997–1007.Naito K, Suenaga E, Cao Z-L, Suda H, Ueno T et al. Comparative hemolysis study of clinically vailable centrifugal pumps. Artif. Organ. 1996: 20 (6): 560–563.Naito K, Suenaga E, Cao Z-L, Suda H, Ueno T et al. Comparative hemolysis study of clinically vailable centrifugal pumps. Artif. Organ. 1996: 20 (6): 560–563.Maruyama O, Yamaguch K, Nishida M, Onoguchi T, Tsutsui T. Hemolytic evaluation using polyurethane microcapsule suspensions in circulatory support devices: normalized index of hemolysis comparisons of commercial centrifugal blood pumps. Artificial Organs. 2007; 32 (2): 146–156.Maruyama O, Yamaguch K, Nishida M, Onoguchi T, Tsutsui T. Hemolytic evaluation using polyurethane microcapsule suspensions in circulatory support devices: normalized index of hemolysis comparisons of commercial centrifugal blood pumps. Artificial Organs. 2007; 32 (2): 146–156.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.