體外循環(huán)管道表面改性的回顧與進(jìn)展

羅鵬 楊劍 劉維永

(第四軍醫(yī)大學(xué)附屬西京醫(yī)院心血管外科，西安 710032)

引言

經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展和逐步完善，體外循環(huán)(cadiopulmonary bypass，CPB)已經(jīng)成為今天心臟直視手術(shù)的常規(guī)技術(shù)。然而，由于制備體外循環(huán)管道所使用的材料多為聚氯乙烯、聚氨酯和硅橡膠等人工合成材料，其生物相容性欠佳，當(dāng)與血液接觸時(shí)，可造成血液有形成分損傷，細(xì)胞釋放一氧化氮(NO)、內(nèi)皮素、細(xì)胞因子等血管活性物質(zhì)，以及凝血、纖溶、補(bǔ)體系統(tǒng)激活而引起嚴(yán)重的全身炎癥反應(yīng)[1]，進(jìn)而導(dǎo)致心肌功能障礙、呼吸衰竭、成人呼吸窘迫綜合癥、敗血癥、凝血功能障礙、腎功能不全、神經(jīng)認(rèn)知功能障礙和多器官功能衰竭等術(shù)后并發(fā)癥[2]，嚴(yán)重影響患者術(shù)后的臨床轉(zhuǎn)歸。針對(duì)這些問題，減輕異物表面反應(yīng)的多種策略得到發(fā)展，包括體外循環(huán)管道的表面涂層、選用生物相容性更好的人工材料和藥物介入抑制炎癥反應(yīng)等[1]。其中，體外循環(huán)管道表面改性一直是研究的熱點(diǎn)。

文中對(duì)目前體外循環(huán)管道表面改性的幾種主要方法及其臨床應(yīng)用做一回顧，并介紹了其最新研究進(jìn)展。

1 生物活性表面

1.1 肝素涂層表面

肝素是一種帶有大量負(fù)電荷的粘多糖硫酸酯，其主要由肥大細(xì)胞和嗜堿性粒細(xì)胞產(chǎn)生，在臨床上被廣泛用作抗凝劑。研究表明，微血管內(nèi)皮細(xì)胞表面存在有肝素樣分子和其他生物活性物質(zhì)，從而防止局部血栓形成。1963年Gott等首次用石墨-芐烷銨肝素(graphite-benzalkonium heparin，GBH)浸漬法以離子結(jié)合方式將肝素與人工合成材料結(jié)合，以增加人工血管的抗血栓形成性能[3]。此后人們一直嘗試應(yīng)用肝素涂層來(lái)改善體外循環(huán)管道的生物相容性，以減輕心臟手術(shù)后的全身炎癥反應(yīng)。直到1983年Larm等才首次開發(fā)出商品化的肝素涂層技術(shù)[4]，此后研究人員相繼開發(fā)出多種不同結(jié)合機(jī)制的肝素涂層技術(shù)，如代表離子鍵結(jié)合技術(shù)的Duraflo IITMsurface(Baxter Healthcare Corporation，USA)，代表共價(jià)鍵結(jié)合技術(shù)的CorlineTMHeparin Surface(CHS，Corline Systems AB，Sweden)和 AOThelTMheparin coating(Artificial Organ Technology，Bad Oeynhausen，Germany)，代表終點(diǎn)固定方式的Carmeda? Bioactive Surface(Medtronic，USA)和TrilliumTMBiosurface(Medtronic，USA)，以及代表共價(jià)鍵和離子鍵共同結(jié)合技術(shù)的BiolineTM(Jostra Cardiopulmonary，Germany)等。大量的體外實(shí)驗(yàn)和臨床研究都表明肝素涂層除了能明顯改善體外循環(huán)管道的生物相容性，通過(guò)抑制血小板、凝血纖溶系統(tǒng)和補(bǔ)體系統(tǒng)的激活而減輕CPB后的全身炎癥反應(yīng)外[5-6]，還能改善CPB術(shù)中和術(shù)后的血流動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和重要器官的代謝，從而使部分心臟手術(shù)后患者的臨床轉(zhuǎn)歸明顯改善[7-8]。最近，Gunaydin等報(bào)道了以透明質(zhì)酸為基礎(chǔ)的肝素涂層方法，臨床研究顯示該涂層方法具有更好的效果和更輕的炎癥反應(yīng)，并能安全減少體外循環(huán)中全身肝素化的肝素用量[9]。肝素涂層表面是體外循環(huán)管道表面改性的一個(gè)里程碑，但由于肝素涂層未能完全阻止手術(shù)創(chuàng)面所介導(dǎo)的血液激活，所以肝素涂層體外循環(huán)管道在臨床應(yīng)用中仍有不少問題有待進(jìn)一步解決。

1.2 雙嘧達(dá)莫固定化表面

雙嘧達(dá)莫是一種眾所周知的血管擴(kuò)張劑和血小板激活、聚集的強(qiáng)效抑制劑，而且?guī)缀鯖]有毒性。該藥在臨床上被廣泛用于抗凝治療，如冠脈腔內(nèi)成形術(shù)的術(shù)前和術(shù)后用藥。Aldenhoff等用光化學(xué)固定法將雙嘧達(dá)莫共價(jià)結(jié)合于聚氨酯表面，發(fā)現(xiàn)雙嘧達(dá)莫使聚氨酯表面的血栓形成性明顯降低，并且能明顯減少血小板的粘附，從而改善了聚氨酯的血液相容性[10]。目前固定化的雙嘧達(dá)莫的確切作用機(jī)制仍然未知，可能是基于血小板-雙嘧達(dá)莫的特異識(shí)別，或固定化的雙嘧達(dá)莫能減少血漿蛋白的吸附從而抑制血小板的粘附。由于與肝素的抗凝機(jī)制不同，雙嘧達(dá)莫主要通過(guò)抑制血小板的粘附和激活而發(fā)揮抗血栓形成作用，因而是否可嘗試將其與肝素聯(lián)合用于體外循環(huán)管道表面的改性還值得進(jìn)一步研究。

1.3 釋放或產(chǎn)生NO的聚合物涂層表面

NO是一種眾所周知的血小板粘附和激活抑制劑，也是平滑肌細(xì)胞增殖的有效抑制劑。最近有研究人員合成出了一種與血液接觸時(shí)能化學(xué)釋放或局部生成 NO的聚合物[11]。該聚合物主要通過(guò)融合離散型的NO給予體分子或與NO給予體共價(jià)結(jié)合而制得。初步的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該聚合物涂層使體外循環(huán)管道的生物相容性有所提高。但其應(yīng)用的最大局限性是聚合物中NO儲(chǔ)備量有限，從而限制了該涂層應(yīng)用的時(shí)效性[11]。釋放或產(chǎn)生NO的聚合物涂層管道表面能否真正使病人臨床獲益還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

1.4 賴氨酸固定化表面

纖溶酶原是一含有賴氨酸結(jié)合位點(diǎn)的血漿蛋白，它是人體血液纖溶系統(tǒng)的重要組分。最近的研究表明，促進(jìn)纖溶酶原在人工材料表面結(jié)合能夠改善其血液相容性。McClung等[12]利用光化學(xué)固定法將含賴氨酸和二苯甲酮的聚丙烯酰胺涂層共價(jià)固定于聚氨酯表面，體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該表面能夠大量結(jié)合血漿中的纖溶酶原，并且結(jié)合的纖溶酶原能夠被t-PA激活為纖溶酶，從而能夠溶解血凝塊。另外，研究還發(fā)現(xiàn)該表面結(jié)合的纖溶酶原能夠與血漿中的纖溶酶原自我交換，從而具有持續(xù)再生的能力，能夠長(zhǎng)期保持促纖維蛋白溶解活性。與肝素涂層表面抗血栓形成不同，賴氨酸固定化表面通過(guò)結(jié)合纖溶酶原而促進(jìn)纖維蛋白溶解，為體外循環(huán)管道的表面改性提供了一種新思路，但是其在血液流動(dòng)狀態(tài)下的性能還有待進(jìn)一步觀察。

2 生物惰性表面

2.1 白蛋白涂層表面

白蛋白是血漿中含量最豐富的蛋白質(zhì)，具有高度的穩(wěn)定性和水溶性。它的多肽鏈不會(huì)與血小板、白細(xì)胞或凝血系統(tǒng)中的酶受體發(fā)生相互作用，能夠相對(duì)牢固地吸附于疏水性表面?；诎椎鞍椎纳鲜鎏匦裕S多研究者進(jìn)行了白蛋白涂層和增加人工材料表面對(duì)白蛋白親和力的研究，并開發(fā)出了商品化的重組白蛋白涂層體外循環(huán)管道(safelinetreatment maquet)。但白蛋白涂層表面具有的最大缺陷就是結(jié)合的白蛋白會(huì)逐漸變性或被其它對(duì)人工材料具有更高親和力的蛋白質(zhì)所取代，因而限制了其在臨床上的應(yīng)用。

2.2 水凝膠涂層表面

水凝膠是一種專為生物學(xué)使用的親水性聚合物，其具有交聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)和強(qiáng)吸水性。聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinyl-pyrrolidone，PVP)就是其中的典型代表，它具有良好的生物相容性。Francois等將PVP涂覆于聚氨酯導(dǎo)管的表面，發(fā)現(xiàn)PVP涂層不僅能夠增加聚氨酯表面的光滑性和親水性，而且還能明顯減少蛋白質(zhì)吸附(纖維蛋白原)和蛋白質(zhì)介導(dǎo)的細(xì)胞粘附，從而改善了聚氨酯的生物相容性[13]。水凝膠涂層技術(shù)簡(jiǎn)單，成本低廉，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械的表面改性，并取得了良好的臨床效果，將來(lái)有望進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于體外循環(huán)管道的表面改性。

2.3 表面改性添加劑改性表面

表面改性添加劑(surface-modifying additive，SMA)是一種具有兩親性的三嵌段共聚物，其一般通式為聚已酸內(nèi)酯-聚二甲硅氧烷-聚已酸內(nèi)酯。當(dāng)它與基材聚合物共混時(shí)，由于其電荷特性而遷移至基材聚合物的表面，形成一種靜電荷為中性的穩(wěn)定的微區(qū)樣結(jié)構(gòu)，從而減少血小板和白細(xì)胞的沉積[14]。 SMARxTTMsurface(COBE Cardiovascular，CO，USA)是其商品化的體外循環(huán)管道。體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，這種經(jīng)SMA改性的體外循環(huán)管道能夠延遲接觸激活，降低凝血活性，改善血小板相容性，并減少細(xì)胞、血漿蛋白系統(tǒng)的激活[14]。此后，Rubens等進(jìn)行的一系列臨床試驗(yàn)證實(shí)這種經(jīng)SMA改性的體外循環(huán)管道與普通體外循環(huán)管道相比，能夠增強(qiáng)血小板保護(hù)，減少纖維蛋白溶解和凝血酶生成，預(yù)防體外循環(huán)中不利的血流動(dòng)力學(xué)改變，其生物相容性明顯改善[14-15]。不過(guò)，最近 Newling等在體外研究中發(fā)現(xiàn)，由于SMA改變了聚氯乙烯管道的機(jī)械牽拉強(qiáng)度，經(jīng)SMA改性的體外循環(huán)管道與普通體外循環(huán)管道相比，導(dǎo)致其在體外循環(huán)中斷裂的危險(xiǎn)性增加，從而降低了患者的手術(shù)安全性[16]。SMA改性體外循環(huán)管道主要通過(guò)影響蛋白質(zhì)的吸附而改善體外循環(huán)管道的生物相容性，其體外實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)所獲得的結(jié)果基本相符，但目前其臨床應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)還有限，加上新近發(fā)現(xiàn)SMA改性體外循環(huán)管道的力學(xué)性能有所下降，故值得繼續(xù)關(guān)注。

2.4 PMEA涂層表面

聚2-瞵酰甲氧乙基腺嘌呤(Poly-2-methoxyethylacrylate，PMEA)是一種人工合成的聚合物，其疏水性主鏈上帶有輕度親水性殘基，但是沒有功能性基團(tuán)。將PMEA涂覆于聚合物表面，能形成具有兩親性的血液接觸表面。X-coatingTM(PMEA，Terumo，Cardiovascular Systems，Japan)是其商品化的體外循環(huán)管道。目前PMEA涂層體外循環(huán)管道已安全應(yīng)用于小兒和成人心臟手術(shù)，具有良好的血液相容性，并且能夠減輕圍術(shù)期的炎癥反應(yīng)，改善患者的臨床轉(zhuǎn)歸[17-19]。PMEA涂層體外循環(huán)管道與SMA改性體外循環(huán)管道類似，是通過(guò)抑制血漿蛋白的吸附而改善體外循環(huán)管道的生物相容性，其減輕CPB不良影響與肝素涂層體外循環(huán)管道相當(dāng)，但是能否使患者臨床獲益仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 生物模仿表面

磷酸膽堿(phosphorylcholine，PC)基團(tuán)是組成細(xì)胞膜基本單元卵磷脂的親水端基團(tuán)，是細(xì)胞外膜的外層功能基團(tuán)。日本學(xué)者Nakabayashi等最早提出了仿細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的概念，并設(shè)計(jì)合成了含PC基團(tuán)的甲基丙烯酸酯單體(methacryloylphosphorylcholine，MPC)及其與憎水單體的共聚物。隨后，Campbell等成功合成出具有生物膜結(jié)構(gòu)表面的聚合物用于人工材料的表面改性[20]。體外實(shí)驗(yàn)表明MPC涂層表面能夠減少蛋白質(zhì)的吸附(特別是纖維蛋白原)，從而減少血小板沉積。另外也有證據(jù)表明該表面能夠減少凝血因子Ⅻ的激活。最后，當(dāng)該涂層溶解時(shí)，MPC還能夠通過(guò)一種仍未知的機(jī)制抑制凝血酶。De Somer等的研究表明MPC涂層CPB管道與普通體外循環(huán)管道相比，其血小板激活明顯減少，表現(xiàn)為血栓素 X2和 bTG的水平下降[21]。最近Pappalardo和Schulze等的臨床研究表明PC涂層體外循環(huán)管道能夠限制高危心臟手術(shù)中的凝血酶生成[22]，改善血小板保護(hù)和減少促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[23]，但另外也有研究表明 PC涂層體外循環(huán)管道不能減輕嬰幼兒心臟手術(shù)后的炎癥反應(yīng)[24-25]。PC涂層作為一種全新的體外循環(huán)管道表面改性方法，使體外循環(huán)管道的生物相容性有所提高，但是并沒有明顯改善患者術(shù)后的臨床轉(zhuǎn)歸。

4 其它表面改性方法

以往的研究發(fā)現(xiàn)，肝素的抗凝血活性與肝素分子鏈上的帶負(fù)荷電的磺酸基及羧基有關(guān)，且主要與磺酸基有關(guān)?；诖?，Liu等用SO2/O2混合氣體等離子體技術(shù)在醫(yī)用聚氯乙烯膜上引入磺酸基，顯著提高了聚氯乙烯膜的抗凝血性能[26]。另外，有證據(jù)表明，體外循環(huán)管道中的聚氯乙烯管中所使用的增塑劑在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮一定作用，將增塑劑從聚氯乙烯管表面去除，可以上調(diào)中性白細(xì)胞表面的CD11 b，從而改善其生物相容性，其減輕體外循環(huán)所引起的炎癥反應(yīng)的作用與肝素涂層相似[27]。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，目前的體外循環(huán)管道生物相容性已明顯改善，但還遠(yuǎn)未達(dá)到理想程度。最理想的生物相容性表面莫過(guò)于血管內(nèi)皮細(xì)胞層，通過(guò)在人工材料表面接種內(nèi)皮細(xì)胞，可以獲得生物相容性優(yōu)越的生物材料，然而由于體外循環(huán)管道多為一次性使用產(chǎn)品，故這種技術(shù)難度大、成本高的表面改性方法并不適用。生物活性表面和生物模仿表面仍是最有前途的體外循環(huán)管道表面改性方法。1997年Chan等基于非酶糖基化反應(yīng)合成出了一種新型抗凝血酶-肝素共價(jià)復(fù)合物(antithrombinheparin covalent complex，ATH)，并對(duì) ATH進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)ATH具有直接和間接抑制凝血酶的活性，對(duì)血漿蛋白和內(nèi)皮細(xì)胞的吸附較普通肝素明顯減少[28]，在人工材料表面的結(jié)合密度大且結(jié)合穩(wěn)定[29]，特別是 ATH還能抑制纖維蛋白結(jié)合的凝血酶活性和使結(jié)合有凝血酶的纖維蛋白血栓具有抗凝血活性[30]，從而能有效的抑制手術(shù)創(chuàng)面所介導(dǎo)的血液激活，因此ATH是一種較理想的可用于體外循環(huán)管道表面改性的生物活性物質(zhì)。但是，目前ATH的合成和純化都較困難，且成本很高，暫不適用于體外循環(huán)管道的表面改性。隨著基因工程合成人源性重組抗凝血酶的成功和ATH制備純化工藝的改進(jìn)，我們可以期待將來(lái)開發(fā)出生物相容性更為優(yōu)越的ATH涂層體外循環(huán)管道。

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