Гидродинамические аспекты машинной перфузии донорских печени и почек: роль вычислительной гемодинамики

Актуальность. Машинная перфузия донорских органов утверждается в качестве стандарта консервации в трансплантологии, однако параметры перфузии — давление, объёмный поток, сосудистое сопротивление — по-прежнему устанавливаются эмпирически, без учёта гидродинамических особенностей конкретного органа. Вычислительная гемодинамика, в первую очередь одномерное (1D) и трёхмерное (3D) моделирование кровотока, предоставляет инструментарий для физически обоснованного выбора режимов перфузии.
Цель: описать концептуальную основу и методологию 1D-моделирования внутриорганного кровотока применительно к машинной перфузии донорских печени и почек; представить предварительные результаты апробации 1D-подхода на клиническом материале трансплантаций печени; изложить результаты 3D CFD-моделирования кровотока в системе воротной вены как основы для понимания перфузионной гидродинамики; предложить физически обоснованные режимы перфузии.
Материалы и методы. Построены 1D-модели сосудистых деревьев печени и почки на основе уравнений Навье–Стокса для трубчатых структур и закона Мюррея. Верификация 1D-модели артериального дерева печени проводилась у 80 пациентов, перенёсших трансплантацию в НИИ СП им. Н.В. Склифосовского. Для изучения гидродинамики системы воротной вены выполнено 3D CFD-моделирование в программном комплексе FlowVision версии 3.13.01 на двух геометрических моделях, построенных по КТ-данным реальных пациентов; выполнялись стационарные и нестационарные расчёты с учётом пульсаций кровотока по допплерографическим кривым.  
Результаты. Погрешность 1D-модели в расчёте давления в зоне артериального анастомоза составила не более 15%. Оптимизация техники реконструкции по CFD изменила тактику у 25% пациентов высокого риска, обеспечив рост WSS на 33,1% и сокращение протромботических зон на 64,3%. 3D CFD воротной вены показало, что качественные различия между ньютоновской (Навье–Стокс) и неньютоновской (Каро) реологическими моделями несущественны, что обосновывает применение менее затратной ньютоновской модели; выявлены три типа зон повышенного риска тромбоза — застой, рециркуляция, резкое изменение направления потока. Применительно к перфузиологии: для печени оптимальный портальный поток — 0,25–0,40 мл/мин/г при давлении 3–6 мм рт.ст.; переход к D-HOPE снижает зональную неравномерность перфузии ацинуса с 28–35% до 9–13%; для почки — 18–22 мм рт.ст. при потоке 0,8–1,2 мл/мин/г.
Заключение. Комбинация 1D-моделирования (быстрый расчёт распределения давления и потока по всему органу) и 3D CFD (пространственный анализ локальных гидродинамических рисков) обеспечивает наиболее полное физическое обоснование параметров машинной перфузии. Переход от эмпирических протоколов к вычислительно обоснованным режимам перфузии реалистичен уже на имеющемся клиническом материале.

1. van Rijn R., Schurink I.J., de Vries Y., et al. Hypothermic machine perfusion in liver transplantation — a randomized trial. N Engl J Med. 2021;384(15):1391–1401. doi:10.1056/NEJMoa2031532

2. Czigany Z., Pratschke J., Froněk J., et al. Hypothermic oxygenated machine perfusion reduces early allograft injury and improves posttransplant outcomes in extended criteria donation liver transplantation from donation after brain death. Ann Surg. 2021;274(5):705–712. doi:10.1097/SLA.0000000000005110

3. Nasralla D., Coussios C.C., Mergental H., et al. A randomized trial of normothermic preservation in liver transplantation. Nature. 2018;557(7703):50–56. doi:10.1038/s41586-018-0047-9

4. Moers C., Smits J.M., Maathuis M.H., et al. Machine perfusion or cold storage in deceased-donor kidney transplantation. N Engl J Med. 2009;360(1):7–19. doi:10.1056/NEJMoa0802289

5. Verstraeten L., Jochmans I. Sense and sensibilities of organ perfusion as a kidney and liver viability assessment platform. Transpl Int. 2022;35:10312. doi:10.3389/ti.2022.10312

6. Mynard J.P., Smolich J.J. One-dimensional haemodynamic modeling and wave dynamics in the entire adult circulation. Ann Biomed Eng. 2015;43(6):1443–1460. doi:10.1007/s10439-015-1313-8

7. Morris P.D., Narracott A., von Tengg-Kobligk H., et al. Computational fluid dynamics modelling in cardiovascular medicine. Heart. 2016;102(1):18–28. doi:10.1136/heartjnl-2015-308044

8. Tithof J., Mestre H., Kelley D.H. Lumped parameter liver simulation to predict acute haemodynamic alterations following partial resections. J R Soc Interface. 2023;20(207):20230444. doi:10.1098/rsif.2023.0444

9. Fenton C.G., Pedersen G.B., Li J., et al. A simplified computational liver perfusion model, with applications to organ preservation. Sci Rep. 2025;15:2847. doi:10.1038/s41598-025-85170-4

10. Murray C.D. The physiological principle of minimum work: I. The vascular system and the cost of blood volume. Proc Natl Acad Sci USA. 1926;12(3):207–214. doi:10.1073/pnas.12.3.207

11. Belzer F.O., Southard J.H. Principles of solid-organ preservation by cold storage. Transplantation. 1988;45(4):673–676. doi:10.1097/00007890-198804000-00001

12. Catalano C., Crascì F., Puleo S., et al. Computational fluid dynamics in cardiac surgery and perfusion: a review. Perfusion. 2025;40(2):362–370. doi:10.1177/02676591241239277

13. Schlegel A., Muller X., Kalisvaart M., et al. Outcomes of DCD liver transplantation using organs treated by hypothermic oxygenated perfusion before implantation. J Hepatol. 2019;70(1):50–57. doi:10.1016/j.jhep.2018.10.005

14. van Rijn R., Karimian N., Matton A.P., et al. Dual hypothermic oxygenated machine perfusion in liver transplants donated after circulatory death. Br J Surg. 2017;104(7):907–917. doi:10.1002/bjs.10515

15. Dutkowski P., Schlegel A., de Oliveira M., et al. HOPE for human liver grafts obtained from donors after cardiac death. J Hepatol. 2014;60(4):765–772. doi:10.1016/j.jhep.2013.11.023

16. Chouchani E.T., Pell V.R., Gaude E., et al. Ischaemic accumulation of succinate controls reperfusion injury through mitochondrial ROS. Nature. 2014;515(7527):431–435. doi:10.1038/nature13909

17. Kaminski J., Delpech P.O., Kaaki-Hosni S., et al. Oxygen consumption by warm ischemia-injured porcine kidneys in hypothermic static and machine preservation. J Surg Res. 2019;242:78–86. doi:10.1016/j.jss.2019.04.048

18. Niroomand A., Nita G.E., Lindstedt S. Machine perfusion and bioengineering strategies in transplantation — beyond the emerging concepts. Transpl Int. 2024;37:13215. doi:10.3389/ti.2024.13215