Thrombectomy使用抽吸和/或支架提取器已成为大血管闭塞(LVO)中风患者的标准护理。1尽管这些设备已经证明了合理的有效性和安全性，但在治疗过程中经常遇到一些缺点:1)完全再通仅在大约50%的患者中实现;22)单次通径完全再通的可能性仅为25%左右;3.3)取栓过程中栓子材料的血管内碎裂可导致医源性栓塞并下游闭塞;4，54)取栓器多次通可导致手术时间长，局灶性血管损伤，临床效果较差;3.术后可发生颅内出血，包括脑实质内出血和蛛网膜下出血。6，7解决这些常见的临床问题变得更加困难，因为我们对取栓设备和技术成功或失败的机制理解非常有限。这种知识差距很大程度上是由于在复杂的脑血管解剖和流动条件下，研究动脉壁、栓子、装置和血流的动态相互作用所固有的挑战。大多数已发表的关于取栓技术发展的数据都是通过在人工大脑动脉模型或活体动物模型的外周血管中进行测试产生的。8人工脑动脉模型远不能与人类脑血管系统高度复杂的血管结构相匹配，也不能模拟栓子与内皮的生物相互作用和粘附，这些人工结构也不能适当地代表脆弱的动脉壁对设备和真空暴露的机械力的响应。9体内动物模型是有价值的，但没有一个与人类大脑动脉的几何形状、结构和血流动力学条件非常相似。临床经验可以帮助我们理解取栓的机制，但在取栓过程中，我们通过x光片通过颅骨的“封闭盒子”所能看到的东西是非常有限的。一个“打开盒子”的实验平台，直接可视化从人脑动脉中移除血栓，是一个尚未满足的科学和临床需求。
为了进一步了解在复杂的血管结构和血流动力学条件下，支架回收器和吸管的栓塞和取出机制，本文介绍了一种工程分析人类大脑动脉中引起LVO的栓塞和取出过程的方法。为此，我们用人脑构建了一个混合试验台，其主要动脉连接到蠕动泵，以重现具有生理准确的脉动流量和压力的循环。为了复制LVO，从人类血液中制备了三种类型的栓子类似物(ea)(易破碎、弹性和僵硬/高度纤维化)，以适当匹配从LVO卒中患者中提取的栓子的结构、硬度和强度。这些ea被栓塞到大脑中动脉(MCA)和基底动脉(BA)，并使用现代设备和技术进行再通，并在暴露的动脉中通过直接透壁观察进行记录。通过次数和再通率被量化，并基于LVO再通(RELVO)量表进行评分。
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我们使用新鲜的尸体大脑构建了一个人脑试验台，以研究在LVO再通干预过程中栓子、取栓装置和血管壁之间的相互作用机制，以揭示目前可用的取栓装置的失效模式。在10个全脑30条动脉(20个MCAs, 10个BAs)中进行了试验台优化和初步实验。经过令人满意的优化和一致的测试，我们获得了高质量的结果，然后我们收集了17个新鲜的非冷冻的整个人类大脑(男性和女性)，没有已知的头部创伤、头部手术或神经血管内疾病或手术史。排除2例颈内动脉较小(ICA)和BA，导致无法引入大鞘进行盐水输注的脑。此外，还排除了三个大血管、广泛颅内动脉粥样硬化、妨碍直接透壁显像的大脑。一旦我们为再通技术(直接抽吸[DA]或支架回收器+抽吸[SR+A])、EA类型(弹性、刚性和易碎裂)和阻塞位置(MCA或BA)的12种组合中的每一种组合创造了至少6个LVO病例(以尽量减少随机错误)，我们就选择停止收集更多的人类大脑。随机分组不适用，研究人员没有盲法。从医院成人尸体的尸检中提取整个人脑是按照批准的程序进行的。
体外加压人脑动脉试验台
利用尸体人脑和特制的液压系统(图1一个)．整个人类大脑是从死亡后24小时内的成人尸体的医院尸检中采集的。开颅过程中特别注意以下事项:1)尽量减少大脑皮层的血管损伤，以实现真实的侧支循环;2)在取脑过程中尽量减少动脉牵引力，以防止穿孔动脉损伤及后续渗漏;3)包括下脑干的两个椎动脉(VAs);4)使用旁突段采集两个ICAs，以成功插管。
LVO脑卒中人脑试验台的构建。答:用于取栓的人脑试验台概述。B:动脉内压测量。C:示意图表示。D:物理照片显示为人体大脑注入生理流量的导管和一例由EA在BA引起的LVO。LICA =左ICA;PCOM =后交通动脉;ICA =右ICA;小脑上动脉。版权所有杨柳。已获授权发布。彩色图片只在网上提供。
采集后，标本立即浸泡在0.9%的盐水溶液中，并悬浮在发网中以保持测试期间的形状。为了模拟生理颅内压，在试验过程中，标本被浸泡在室温盐水溶液中，距离盐水表面约5-7厘米(图1一个)．为了实现动脉腔的转视，必要时从主池和裂隙中去除厚厚的蛛网膜层，以暴露ICAs、MCAs (M1或蝶骨段M2或岛段，M3.或过眼段)，大脑前动脉(ACAs;一个1和一个2包括前交通动脉(ACOM)、脑后动脉(PCAs);P1和P2包括后交通动脉、有主要分支的BA和VAs的硬膜内段(V4段)。蛛网膜切除仅限于暴露感兴趣的动脉段，但保留大多数蛛网膜网以维持动脉周围支撑。需要时使用显微手术夹轻轻移位蛛网膜以改善动脉显影。
暴露待分析的主要动脉段后，ICA和VA均采用动脉通路鞘插管(8-Fr, 10 cm长股动脉鞘;)，并以尼龙扎带固定，以防止泄漏(图1 d)．然后将每个护套固定在容器壁上，以防止在操作取栓装置时发生任何移动，以模拟海绵ICA和V的固定节段3.- v4接口。然后将每个护套与液压系统平行连接，每个ICA以约311 mL/min的生理流量注入0.9%生理盐水，VAs以约165 mL/min的生理流量注入。10液压系统由蠕动泵(Masterplex I/P, Cole-Parmer Scientific Experts)、油管和可变阻力泄气阀组成，之前我们的团队对该系统进行了描述。9为了补偿特定大脑动脉循环的动脉口径和阻力的变化，并在测试期间实现可重复和生理准确的动脉压力，与压力泵的管道以T形连接的逃生机构包括可调节的流动阻力。在分析动脉主干分支的管腔内引入动脉管线(Becton Dickinson Infusion Therapy Systems)，通过压力传感器(15PDAA5 ASDX系列，Honeywell)实时连续记录动脉内压力。为了精细地调节大脑动脉内的压力，需要在小分支上应用动脉瘤夹。两台摄像机(α6000，索尼)记录了栓塞过程和取栓的视频。光学半透明的动脉壁使传统摄像机能够以非常高的分辨率可视化栓子-设备的相互作用，而不需要辐射。
人血EAs工程
EAs被制成具有不同结构和拉伸性能的栓子，以代表从LVO卒中患者中提取的一系列栓子。通过混合不同体积比例的硫酸钡、人红细胞(rbc)和从医院血库获得的人新鲜冷冻血浆，决定使用人血来更准确地代表患者栓子的结构和生物学行为。制备了三种具有代表性的EAs: 1)弹性EAs, 2)易碎裂EAs和3)刚性EAs。我们小组之前已经描述了弹性和易碎裂EAs的制造技术和拉伸性能，并已证明能够承受模拟稳定LVO情况的生理压力。9然而，这些ea的抗拉强度低于从LVO中风患者中提取的大多数纤维化栓子，后者已知会导致最具挑战性的闭塞再通。11，12因此，在本研究中，我们设计了另一种具有更高抗拉强度的刚性EA，以紧密代表高度纤维化的栓子。将人血浆、红细胞和2.27%氯化钙溶液以19:1:2的体积比混合制成刚性EA。然后将混合物转移到15 ml离心管中，并在37°C的水浴中凝固。在凝固后，EAs被切割成5毫米长的碎片，然后用313克的重量压缩30秒，然后放置在目标动脉中。
这些ea的拉伸性能与临床相关，因为它们代表了取栓过程中导管和支架的拉力，通过拉伸测试进行了量化。拉伸试验设置和数据分析已由我们小组详细介绍。11，13为了量化栓子的拉伸性能，计算了真应力(σ)和工程应变(ε)，并为每个样品(图2一个)．拉伸性能由真应力(σ，取栓过程中张力或导管牵拉引起的单位面积上EA的载荷)与工程应变(ε，牵拉时EA的伸长率)之间的关系进行评估。在破裂时，栓子具有一个极限拉应力σut和极限拉伸应变εut．将这些EAs的抗拉强度与从LVO卒中患者中提取的栓子进行比较。
EAs的机械和结构性能。答:应力-应变曲线显示了本研究中使用的三种EAs的拉伸试验结果。罪犯:h&e染色的EAs显微图像:弹性(B)，刚性(C)，易碎裂(D)。Bar = 20 μm。彩色图片只在网上提供。
EAs进入脑血管系统
EAs长度为5mm，浸泡在盐水溶液中，使用注射器负压吸入2.2 mm导管(Neuromax, Penumbra)。加载后，将导管引入股鞘，并将EAs轻轻引入系统。引入后，生理流使EA下游栓塞。这一过程使得ea在MCA分叉处和BA顶端一致地倒伏。为分析生理压力下EA引起的脑动脉LVO对脉动血流的响应，对9例标本分别于0、1、3、5分钟拍摄连续图像，并通过视频记录变化。
机械清除栓子
两种技术用于通过鞘对EAs进行取栓:1)DA技术，采用吸入导管(ACE 68, Penumbra)连接到真空泵(真空- 650 mm Hg;01-12-405，联合医疗保健);2) Solumbra或SR+A技术，使用支架回收器(Solitaire Platinum, Medtronic)和吸入导管(ACE 68) (图1C和D)．14选择这两种技术是因为它们是临床实践中最常用的技术(DA和SR+A技术分别占40%和28%)。15DA技术取栓102次，SR+A技术取栓82次，并录制视频进行分析。每个程序的评估基于1)再通率(第一次通、每次通和最终通)和2)实现成功或完全再通所需的通数。
结果
人脑测试台
开发了一个用于人脑脑血管动脉栓塞和取栓的试验台，以模拟常规血管组情况下的干预(图1一个)．我们能够通过脉冲波形产生精确的生理压力，以模拟一致的舒张压约82 mm Hg和交替的收缩压接近105 mm Hg (图1 b)，虽然收缩压可通过调节可变流量电阻达到200mmhg。该试验台允许在真实的脑血管解剖和流动条件下，通过直接通过动脉壁观察腔内元件和程序，对LVO卒中取栓术进行无辐射可视化(图1C和D)．我们成功复制了105例LVO病例，在12个大脑中进行了184次传递(51例LVO病例和82次前循环传递，54例LVO病例和102次后循环传递)。
我们发现，这三种类型的EAs可以恰当地代表LVO卒中取栓过程中所遇到的机械拉伸特征和组织学谱。11图2一个显示了弹性、易破碎和刚性EAs的应力与应变关系。刚性EA具有较高的极限拉应力(σut)为1120 kPa，而弹性EAs (98 kPa)和易破片EAs (41 kPa)则不同。图2B及D分别为h&e染色的弹性EAs、刚性EAs和易碎裂EAs的组织学。弹性EA具有相对均匀的外观，富含红细胞(图1 b)．坚硬的EAs主要是由密集的纤维蛋白网与嵌入的和稀少的红细胞(图1 c)．碎裂倾向的EAs红细胞和纤维蛋白含量平衡，尽管纤维蛋白网被硫酸钡聚集物破坏(图1 d)．
栓塞和倒伏情况
大多数EA肿块滞留在主母血管的分叉处，观察到一小部分分支突出到较小的分支和穿通动脉。后一种EA的物质一般与载瘤动脉内的主要EA团块保持连续性(图3)．由于侧支血流，栓塞闭塞处远端动脉仍有扩张和搏动。在动脉中首次植入EA时，EA在水压压力下仍楔在动脉分叉处至少5分钟，表现出对生理流动的耐受性，没有压缩、碎裂和下游迁移(视频1)．
在人脑试验台中创建LVO并使用RELVO分级量表评估再通。答:EA在BA分叉处稳定倒伏，以模拟涉及BA、小脑前下动脉、小脑上动脉和pca的LVO场景。后交通动脉(PCOM)通畅，回填P1和P2主成分分析。TPA =丘脑穿通动脉。B:有代表性的进展性血运重建图像，RELVO等级为0 ~ 3级。版权所有杨柳。已获授权发布。彩色图片只在网上提供。
血管再通率
为了量化每次干预后的再通结果，我们开发了RELVO量表，如表1并在图3 b．该量表的设计类似于目前临床使用的改进的脑梗死溶栓再通量表，以获得具有代表性的结果并将发现外推到临床实践中。不同于mTICI量表对远端血管血流的存在进行分级，RELVO分级系统重点关注大脑大动脉中闭塞性栓塞物质的存在(ICA, MCAs来自M1远端M2，来自A1远端A2， VA, BA和pca来自P1远端P2)，主要命名分支(包括颞前动脉、小脑后下动脉[PICA]、小脑前下动脉[AICA]和小脑上动脉[SCA])，以及小分支和穿通动脉。此外，该量表使用是否有盐水溶液流经宏观阻塞的动脉段作为渗透的代理。
本研究中使用的RELVO量表对人脑试验台中的再通进行分级
| RELVO年级 | 定义 | 描述 |
|---|---|---|
| 0 | 完整的阻塞 | 大动脉及分支闭塞点外无顺行血流 |
| 1 | 穿透/最小灌注 | 盐水越过梗阻区，远端冲洗腔内血，但宏观上堵塞了含有栓子的动脉段 |
| 2 | 分支部分再通<50% | <50%的阻塞靶动脉主要分支再通 |
| 2 b | 分支部分再通≥50% | ≥50%闭塞靶动脉主要分支再通 |
| 2摄氏度 | 几乎完全再通 | 闭塞的目标动脉的所有主要分支都再通，但小分支或穿通动脉有残余闭塞 |
| 3. | 完整的血管再通 | 完全切除主动脉腔、主干和次要分支以及穿支动脉的栓子 |
视频2。使用DA或SR+A技术再通MCA或BA。版权所有杨柳。已获授权发布。点击在这里查看。
对视频进行分析，并对每次通过后的再通进行评分。表2显示MCA和BA中使用DA或SR+A技术进行LVO的再通结果(LVO案例、通过次数、首通和最终成功率以及完全再通率)。不同EA类型的血运重建结果不同。弹性ea (n = 33)、刚性ea (n = 25)和易碎裂ea (n = 47)的再通成功率分别为88%、64%和64%。图4显示每通过的RELVO等级。
采用DA或SR+A技术对MCA和BA的LVO进行再通
| 达 | SR +一个 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MCA | 英航 | MCA | 英航 | ||||||||||
| 弹性 | 僵硬的 | 《外交政策》 | 弹性 | 僵硬的 | 《外交政策》 | 弹性 | 僵硬的 | 《外交政策》 | 弹性 | 僵硬的 | 《外交政策》 | ||
| LVO案例，没有。 | 7 | 7 | 13 | 14 | 6 | 14 | 6 | 6 | 12 | 6 | 6 | 8 | |
| 通过,不。 | 8 | 12 | 21 | 22 | 9 | 30. | 7 | 7 | 27 | 13 | 11 | 17 | |
| 老 | One hundred. | 86 | 69 | One hundred. | One hundred. | 93 | 67 | 0 | 42 | 67 | 67 | 38 | |
| CR | One hundred. | 86 | 46 | 93 | One hundred. | 72 | 67 | 0 | 0 | 67 | 67 | 38 | |
| 身上发生 | 86 | 43 | 53 | 71 | 67 | 50 | 50 | 0 | 25 | 17 | 33 | 13 | |
| 货物收据 | 86 | 43 | 30. | 57 | 67 | 36 | 50 | 0 | 0 | 0 | 33 | 13 | |
CR =完全再通率;FCR =首通完全再通率;FP =易碎裂EA;FSR =首次通过成功再通率;SR =再通成功率。
每通再通结果在人脑试验台。答:使用DA技术在MCA进行再通。B:使用SR+A技术进行MCA再通。C:使用DA技术在BA中再通。D:使用SR+A技术进行BA再通。彩色图片只在网上提供。
讨论
使用带有透明或半透明幻影的台式模拟器来直接可视化血运重建过程，以及透视，使当前和未来的血管内技术和中风机械取栓技术得以发展。9这些测试平台已经被证明可以准确地代表大脑主动脉管腔和主要分支血管的大致几何形状，当设备施加较大的力时，一些柔性硅胶幻影甚至会变形。然而，最近的出版物强调了这些试验台的一些局限性，可能导致次优治疗策略和临床结果。9例如，由于制造方面的挑战，phantom过于简化了复杂的脑血管结构，小分支和管腔< 1mm的穿通动脉一般不包括在模型中。此外，即使是“灵活的”幻影壁也明显比大脑动脉壁更硬，更有抵抗力，并且可以忍受在临床情况下导致灾难性并发症的力量和运动，而不会撕裂。此外，这些幻影都没有模拟装置和多层动脉壁之间的相互作用，或者栓子和内皮之间的相互作用。
为了填补LVO脑卒中建模的这些空白，为脑卒中机械取栓的研究和设备开发提供一个更有代表性的试验台，我们在这里介绍了一种混合尸体平台，在未修饰的复杂脑血管系统下，具有精确的血流动力学条件。这个全面的人体平台“打开了盒子”，提供了一个前所未有的窗口，可以可视化栓子、动脉和取栓设备之间的相互作用。通过这样做，它为LVO的机制和脑血运重建过程提供了关键的见解。
我们的实验表明，通过向ICAs和VAs灌注脉冲生理盐水，可以在人类尸体大脑中重新创造威利斯循环的生理血流动力学条件。我们还证明，LVO可以由EAs生成，这些EAs模拟了与中风患者的LVO栓子相似的组织学和力学特性。本研究中的三种EAs覆盖了LVO卒中中回收的栓子的很大范围(88%)。11从LVO中风中提取的一系列已发表的栓子强度范围为63至2396 kPa，而这里开发的EAs范围为41至1120 kPa。虽然在发表的队列中分析的16个栓子中有2个栓子的强度大于1120 kPa，但这里始终描述的刚性EA阻塞了吸入导管，并阻碍了与支架回收器的适当整合。
当引入该系统时，EAs在生理流量下栓塞并形成稳定的LVO -主要在MCA分叉，ICA末端和基底尖-与临床上最常见的LVO位置相匹配。在这个过程中，我们观察到大多数栓子块占据了母动脉和较大的分支，尽管栓子也可能进入较小的分支和穿通动脉。楔形栓子在水力压力下保持在分叉的稳定位置至少5分钟，表现出对生理流动的耐受性，没有破裂和下游迁移。一方面，这表明本研究中设计的EAs具有与中风LVO血运重建中回收的栓子相当的机械拉伸性能，并且当暴露于人脑动脉的生理血流动力学条件下时，其行为也类似。另一方面，这一发现表明，在临床情况下，远端小血管闭塞并发近端LVO可能经常发生在再通过程中，而不是在初始栓塞事件发生时。这一实验发现得到了临床证据的支持，临床证据表明，在> 20%的患者中，使用先进的MRI技术可以在进行再通的同一血管区域检测到医源性栓塞事件，并导致大多数可观察到的远端分支闭塞，这是成功再通和完全再通之间的差异。3.，4，14，16此外，每10例患者中约有1例可在以前未受影响的血管中发现医源性栓塞，导致5%的新中风。5
与临床经验类似，在所述试验台中，通常需要多次通过设备才能实现成功和完全的再通。所观察到的导致支架多次通过的主要机制包括EA无法从动脉表面动员、栓塞/支架整合不良以及EA的下游迁移，特别是在僵硬EA的情况下。对于吸入性导管，第一次尝试无法再通的原因是导管堵塞伴随EA碎裂和残余梗阻，这通常发生在僵硬且易碎裂的EA中。无导管堵塞的进行性血块摄入是完全清除EA病例的关键机制，并解释了弹性EA使用DA的首次再通率高的原因。
支架和吸管均与设备牵引期间的栓塞伸长和破裂有关，导致医源性栓塞和/或残留闭塞。正如之前在台式实验中提出的，9，11吸力导管和支架回收器是基于经典范例，通过真空产生张力和机械撤出装置整体移除栓子。11总张力加载栓子以克服阻力，其中包括栓子与血管表面的静摩擦和粘附，穿过栓子的压力梯度(近端到远端压力)，以及变形栓子内挤压进排空主动脉分支的预载荷(这取决于材料强度)。在真空激活和/或设备退出过程中，栓子拉长，同时直径减小，并发生复杂的多灶和阶段性断裂，导致材料弱化并最终破裂。碎片可以在血流存在的情况下向下游迁移，或滞留在动脉壁内，导致残余闭塞。
尽管所描述的平台在LVO行程试验台方面迈出了重要的一步，但本研究仍存在局限性。首先，结果的可重复性必须根据整个脑血管结构的多样性范围来解释，包括威利斯圈的变化和人体解剖学中血管弯曲程度的不同。此外，人脑试验台中的血管系统缺乏通过颅底的骨组织约束，导致几何形状不那么曲折，通航性和再通效果可能被高估。其次，尽管使用的是具有原位完整脑血管解剖结构、生理流动条件和工程的人血源EAs的人类整个大脑，但这里描述的平台是体外的。因此，生物活性过程，如栓子-内皮相互作用和脑血管张力，可能没有被完全捕获。第三，我们排除了广泛颅内动脉粥样硬化的标本，因为斑块模糊了腔内成分的可见性。因此，对结果和结论的解释需要谨慎，并不一定代表所有患者。第四，由于长时间输液会导致脑肿胀，我们无法评估脉冲血流下长时间栓子-血管相互作用的影响，这与一些患者在中风发作数小时后出现的情况有关。第五，我们选择用盐水溶液代替血液对动脉进行加压，以保持动脉内环境透明，便于观察。因此，这里没有捕捉到与血液流变特性相关的现象。 The shear stress of the saline solution is less than that of the more viscous blood, and therefore the embolization event in this human brain test bed might be underestimated. Finally, the EAs manufactured for this study were engineered to mechanically match a cohort of thrombus fragments retrieved during thrombectomy rather than the whole embolus causing an LVO stroke. Therefore, in addition to the selection bias of testing only emboli that could actually be retrieved, it is possible that the specimens analyzed may have lacked emboli that were difficult to remove and highly emboligenic material that fragmented and was lost during retrieval.
基于人脑的未来试验台可以解决整个人脑模型的一些局限性，包括缺乏通过颅底的血管弯曲，这对于确定设备的通航性及其在临床情况下的适用性至关重要。此外，mTICI评分系统也可能被用于评估再通，从而与临床数据进行更可靠的比较。人血可以用来注入头部，以精确地复制施加在栓子上的剪切应力。
结论
在本研究中引入并验证的人脑平台，据我们所知，在已发表的文献中首次报道，能够在人脑内未修改的复杂脑血管系统的生理血流动力学条件下分析动脉-栓子-装置的相互作用。
致谢
本研究由U-M Coulter转化研究伙伴计划(对a.j.s.， Y.Z, a.s.p.和L.E.S.)和国家心脏，肺和血液研究所的NIH加速创新中心(对L.E.S.)资助。
我们感谢密歇根大学血库提供的血液材料，以及D. French、C. Prescott、D. Griffiths和J. Jentzen在获取人类尸体标本方面提供的专业知识和技术援助。
披露的信息
L.E.S.报告称拥有血管内工程公司(Endovascular Engineering)的所有权，他是该公司的创始人，该公司正在开发一种治疗中风的新技术，因此可能与支架和吸管存在间接利益冲突。y.l是血管内工程的顾问，也是血管内工程科学顾问委员会的成员。y.l.， Y.Z, a.j.s.和L.E.S.是国际专利申请号的发明人。WO2019199931A1，由密歇根大学授权给血管内工程公司，他们将来可以从版税中受益。
作者的贡献
构思与设计:Savastano, Gebrezgiabhier, Liu。数据采集:Savastano, Gebrezgiabhier, Liu, Reddy, Davis。数据分析与解释:Savastano, Gebrezgiabhier, Liu。文章起草:Savastano, Gebrezgiabhier, Liu。批判性地修改文章:萨瓦斯塔诺，刘。审稿版本:所有作者。代表所有作者:萨瓦斯塔诺批准了手稿的最终版本。行政/技术/物资支持:Savastano, Zheng, Shih, Pandey。研究指导:Savastano, Shih, Pandey。
