氦-氧機(jī)械通氣在慢性阻塞性肺疾病急性加重期的作用

朱帥俊，陳冬梅，何鑫敏，翁欽永*

(1.福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，福建 福州 350001；2.福建醫(yī)科大學(xué)研究生院，福建 福州 350001)

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氦-氧機(jī)械通氣在慢性阻塞性肺疾病急性加重期的作用

朱帥俊1，陳冬梅1，何鑫敏2，翁欽永1*

(1.福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，福建 福州 350001；2.福建醫(yī)科大學(xué)研究生院，福建 福州 350001)

[摘要]目的探討氦-氧機(jī)械通氣對慢性阻塞性肺疾病急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease, AECOPD) 患者氣道峰壓(peak airway pressure,P peak)、二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide,PaCO2)、氧分壓(partial pressure of oxygen，PaO2)以及炎癥相關(guān)細(xì)胞因子白細(xì)胞介素8(interleukin 8 ，IL-8)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)的作用。方法選擇AECOPD機(jī)械通氣患者60例，隨機(jī)分為試驗組和對照組各30例。所有患者采用改良后的密閉式呼吸機(jī)，試驗組行氦-氧機(jī)械通氣(60%氦∶40%氧)，對照組行氮-氧機(jī)械通氣(60%氮∶40%氧)，觀察2組治療前和治療后30、90、120 min患者P peak、PaO2、PaCO2的變化，并用酶聯(lián)免疫吸附測定法分別檢測2組4個時間點患者血清中IL-8和TNF-α的濃度。結(jié)果試驗組P peak和PaCO2在治療后30 min開始顯著降低(P<0.05)，隨后維持穩(wěn)定，但對照組較治療前沒有明顯改善；試驗組PaO2在治療后30 min開始顯著升高(P<0.05)，隨后維持穩(wěn)定，而對照組較治療前沒有明顯改善；試驗組IL-8和TNF-α在治療120 min后開始明顯下降(P<0.05)，而對照組始終沒有得到改善。結(jié)論氦-氧機(jī)械通氣能夠顯著降低AECOPD患者的氣道壓力，改善氧合，減少二氧化碳潴留，增加有效通氣量，而且治療達(dá)到一定時間后能降低炎癥相關(guān)細(xì)胞因子IL-8和TNF-α的濃度，對慢性氣道炎癥有一定的調(diào)節(jié)作用，同時改良后的呼吸機(jī)實現(xiàn)了氦氣的可循環(huán)利用，大大節(jié)約了治療成本。

[關(guān)鍵詞]肺疾病,慢性阻塞性；氦-氧機(jī)械通氣；細(xì)胞因子類

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.05.007

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者一旦并發(fā)感染進(jìn)入急性加重期, 呼吸困難顯著加重, 呼吸肌疲勞度明顯增加,二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide,PaCO2)可明顯增高, 部分患者在抗感染治療同時, 需氣管插管行有創(chuàng)機(jī)械通氣以挽救生命[1]。機(jī)械通氣作為治療呼吸衰竭的最后有效手段,卻多因采用正壓通氣方式, 很難避免機(jī)械通氣所致肺損傷。氦氣是一種小分子的惰性氣體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有低密度、高運(yùn)動黏性系數(shù)的特性，氦氣與氧氣混合形成的氦氧混合氣同樣具有這樣的特點[2]。自1935年氦氧混合氣應(yīng)用臨床以來[3]，多項研究表明，氦氧混合氣具有減低氣流在氣道中的阻力、降低氣道壓、促進(jìn)氧氣向肺泡彌散及二氧化碳(carbon dioxide，CO2)的排除、減少呼吸作功、減少并發(fā)癥等優(yōu)點，能夠用于急性重癥哮喘、COPD、支氣管肺發(fā)育不全和上氣道阻塞性疾病的治療[4-5]，但目前國內(nèi)相關(guān)研究多為動物實驗或小樣本臨床試驗。本研究通過改進(jìn)呼吸機(jī)回路實現(xiàn)氦氣循環(huán)利用，以慢性阻塞性肺疾病急性加重期(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease, AECOPD)患者為研究對象，觀察氦-氧機(jī)械通氣治療后患者氣道峰壓(peak airway pressure,P peak)、動脈血氧分壓(partial pressure of oxygen，PaO2)、PaCO2以及相關(guān)細(xì)胞因子的變化，旨在探討氦-氧機(jī)械通氣作為AECOPD患者常規(guī)治療手段的可行性。

1　資料與方法

1.1一般資料選擇2010年1月—2014年1月福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科收治的因AECOPD行有創(chuàng)機(jī)械通氣患者60例。入選標(biāo)準(zhǔn)：①符合中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)會指定的AECOPD的診斷規(guī)范；②需機(jī)械通氣治療；③呼吸機(jī)參數(shù)吸入氣中氧濃度分?jǐn)?shù)(fraction of spiration O2,FiO2)維持在40%。排除標(biāo)準(zhǔn)：①呼吸機(jī)參數(shù)FiO2>40%或<40%；②血流動力學(xué)不穩(wěn)定。隨機(jī)分為試驗組和對照組各30例。試驗組男性21例，女性9例， 年齡45～85歲，平均(63.0±12.8)歲，對照組男性21例，女性9例， 年齡47～82歲，平均(65.7±11.4)歲。 2組性別、年齡差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),具有可比性。

所有患者均簽署知情同意書，本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審批(2013004)。

1.2方法

1.2.1呼吸機(jī)準(zhǔn)備通過改進(jìn)麻醉機(jī)(drag，德國)呼吸回路，實現(xiàn)氦氣的循環(huán)利用。首先調(diào)節(jié)麻醉機(jī)空氣流量為零，氦氣接麻醉機(jī)一氧化二氮通路，改一氧化二氮通路為氦氣通路，在試驗開始前先予純氧通氣約2 h，并不斷把氦氣引入回路從而排盡呼吸回路內(nèi)的氮氣，呼吸管路“Y”形口接氧濃度測量儀，通過不斷調(diào)整氦氣和氧氣的流量達(dá)到預(yù)設(shè)的氧濃度(40%)。

1.2.2呼吸參數(shù)設(shè)置容量控制模式：潮氣量為8 mL/kg；呼吸頻率為16 次/min；吸呼比為1∶2；FiO2為40%；呼吸末正壓通氣為 5 cmH2O；低壓報警為≤10 cmH2O；高壓報警為≥50 cmH2O。

1.3治療2組均采用常規(guī)藥物治療(包括抗生素、支氣管擴(kuò)張劑、祛痰劑、糖皮質(zhì)激素等)和機(jī)械通氣治療，待血流動力學(xué)穩(wěn)定(未應(yīng)用血管活性藥物且維持在基礎(chǔ)血壓)和呼吸機(jī)參數(shù)穩(wěn)定后開始下一步的治療。試驗組將氮氧通氣換成氦氧通氣(60%氦∶40%氧，F(xiàn)iO2為40%)(純度>99.99%的氦來源于廣東省深圳空氣化工產(chǎn)品氣體有限公司)，對照組繼續(xù)氮氧通氣(60%氮∶40 %氧，F(xiàn)iO2為40%)，記錄所有患者治療前和治療后30、90、120 min 4個時間點的P peak，并抽取5 mL動脈血，其中1 mL用于血氣分析，4 mL及時離心取上清液，采用酶聯(lián)免疫吸附測定法檢測所有患者血清中白細(xì)胞介素8(interleukin 8 ，IL-8)和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)濃度，IL-8和TNF-α檢測試劑盒購于英國 Abcam 公司，均按照試劑盒說明書操作。

2　結(jié)　　果

試驗組P peak和PaCO2在治療后30 min開始降低，之后穩(wěn)定維持，但對照組變化不大；試驗組的PaO2在治療后30 min開始升高，之后穩(wěn)定維持，而對照組變化不大；試驗組的IL-8和TNF-α只在治療后120 min明顯下降，而對照組變化不大。 2組P peak、PaCO2和PaO2、IL-8和TNF-α在不同時點間、組間·時點間的交互作用差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。見表1。

表12組治療前后P peak、PaO2、PaCO2、TNF-α和IL-8比較

3　討　　論

氦氧混合氣是氦氣與氧氣按一定比例混合后制成的一種低密度氣體，首次應(yīng)用于人類以來，至今已有70 多年的歷史，最早潛水行業(yè)利用其來預(yù)防減壓病的發(fā)生。隨著對氦氧混合氣研究的深入，發(fā)現(xiàn)它具有降低氣道阻力、減輕呼吸肌疲勞、促進(jìn)氧合等優(yōu)點，甚至還具有一定生物化學(xué)作用和細(xì)胞保護(hù)作用，有報道它能降低生物新陳代謝率，減少能量消耗[6]，減輕臟器缺血后炎癥反應(yīng)[7-8]，減輕肺組織的炎癥滲出[9]，減輕生物體重要器官如心臟、大腦的缺血-再灌注損傷[10-11]，降低機(jī)械通氣使用率[12]等。但上述作用的具體機(jī)制尚不清楚。本研究創(chuàng)新性地實現(xiàn)了氦氣的循環(huán)利用，旨在研究氦-氧機(jī)械通氣對AECOPD患者P peak、PaO2、PaCO2以及細(xì)胞因子IL-8和TNF-α的影響，探討氦-氧機(jī)械通氣作為AECOPD常規(guī)治療手段的可行性。

AECOPD患者因長期氣道慢性炎癥，中小氣道變形、氣道重塑非常明顯, 加之分泌物較多而且黏稠，在進(jìn)行傳統(tǒng)機(jī)械通氣治療時往往P peak較高，而高氣道阻力則會阻礙進(jìn)行有效氧合和CO2的排出[13]。本研究結(jié)果顯示，AECOPD患者氦-氧機(jī)械通氣后各時間點P peak較對照組明顯降低，同時各時間點PaCO2較對照組明顯降低，PaO2較對照組也有較明顯的改善。氦-氧機(jī)械通氣之所以有上述效果，是因為氣道阻力除了受氣道內(nèi)徑的影響外，還受吸入氣體的運(yùn)動狀態(tài)的影響，而氦氧混合氣體具有低密度、雷諾系數(shù)小的特點，更傾向于層流運(yùn)動，故在相同的氣道內(nèi)徑情況下，吸入低密度氦氧混合氣體進(jìn)行機(jī)械通氣與常規(guī)治療相比，在降低氣道壓力和氣道阻力方面具有顯著的優(yōu)勢，從而改善氧合和促進(jìn)CO2的排出。但AECOPD患者PaCO2、PaO2受到通氣/血流比、彌散功能以及分流等眾多因素影響，單靠氦氧混合氣低密度、低阻力的物理特性，無法很好地解釋氧合及CO2排出的改善。因此，推測氦氧混合氣可能進(jìn)一步改善肺組織彈性，令肺組織能最大限度地回縮，從而使通氣/血流比失衡及彌散功能得到明顯改善，一定程度上改善氧合，減少CO2潴留。相關(guān)文獻(xiàn)亦有報道[14]。

IL-8主要由肺泡巨噬細(xì)胞、氣道上皮細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等分泌, 參與聚集和活化中性粒細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞, 調(diào)節(jié)免疫反應(yīng), 促進(jìn)中性粒細(xì)胞的炎癥作用。TNF-α主要由單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生,可以強(qiáng)有力的激活中性粒細(xì)胞，刺激其分泌IL-8。有報道稱COPD患者的氣道炎癥與IL-8及TNF-α釋放增多有關(guān),同時氣道炎癥的加重又會刺激IL-8及TNF-α釋放增加，造成惡性循環(huán)[15]。本研究結(jié)果顯示，AECOPD患者吸入氦氧混合氣后120 min IL-8和TNF-α濃度較對照組顯著降低，推測由于氦氧混合氣降低氣道壓力，減少氣壓傷，一定程度上減輕氣道炎癥，從而減少IL-8、TNF-α等細(xì)胞因子的產(chǎn)生；但在吸入氦氧混合氣后30 、90 min并沒有發(fā)現(xiàn)這種改變，這是由于細(xì)胞因子生成及代謝需要一定反應(yīng)時限。本研究設(shè)計起初，由于安全性考慮僅設(shè)計至120 min，但并沒有觀察到任何不良反應(yīng)，這為以后的研究可以設(shè)計出更長時間的安全性提供了經(jīng)驗。

綜上所述，氦氧混合氣能降低AECOPD患者P peak、CO2潴留，改善氧合，減少損傷性細(xì)胞因子，減輕炎癥的負(fù)面效應(yīng)，較普通氣體而言有其獨特的優(yōu)勢,但因其制備困難, 價格昂貴，且具有高擴(kuò)散性(能夠從大多數(shù)嚴(yán)格密封的容器中逸出)，導(dǎo)致其治療成本過高，無法在臨床中廣泛開展。本研究通過改進(jìn)呼吸機(jī)的回路將其改造成密閉式，實現(xiàn)了氦氣的循環(huán)利用，將一桶150 L的高純度氦氣的使用時間由15 min延長到20 h，大大降低了氦氧混合氣的使用成本。因此，本研究為氦-氧機(jī)械通氣成為AECOPD常規(guī)治療手段提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中華醫(yī)學(xué)會呼吸病學(xué)分會慢性阻塞性肺疾病學(xué)組.慢性阻塞性肺疾病診治指南(2007 年修訂版)[J].中華結(jié)核和呼吸雜志，2013，36(4)：255-264.

[2]肖永久，解立新.氦氧混合氣Heliox在慢性阻塞性肺疾病治療中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國呼吸與危重監(jiān)護(hù)雜志，2010,9(4)：436-438.

[3]李雪，陳龍，史源.氦氧混合氣在臨床應(yīng)用研究進(jìn)展[J/CD].中華臨床醫(yī)師雜志：電子版，2013,7(9)：4030-4032.

[4]Gerbeaux P,Gainnier M,Arnal JM,et al. Effects of helium-oxygen mixtures on endotracheal tubes:an in vitro study[J]. J Biomech,2005, 38(1):33-37.

[5]游海平，張小霓，翁欽永.氦氧混合氣在呼吸系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)綜述，2014,20(6):983-985.

[6]Singer D. Why 37 degrees C Evolutionary fundamentals of thermoregulation[J]. Anaesthesist,2007，56(9):899-902，904-906.

[7]Lucchinetti E,Wacker J,Maurer C,et al. Helium breathing provides modest antiinflammatory,but no endothelial protection against chemia-reperfusion injury in humans in vivo[J]. Anesth Analg,2009,109(1):101-108.

[8] 陳冬梅，翁欽永.氦氧機(jī)械通氣對兔急性肺損傷模型的肺組織炎性反應(yīng)和細(xì)胞凋亡的影響[J].中國臨床醫(yī)學(xué)，2013,20(6):751-754,758.

[9]Lucchinetti E,Wacker J,Maurer C,et al. Helium breathing provides modest antiinflammatory,but no endothelial protection against ischemia-reperfusion injury in humans in vivo[J]. Anesth Analg,2009,109(1):101-108.

[10]Pan Y,Zhang H,Acharya AB,et al.The effect of heliox treatment in a rat model of focal transient cerebral ischemia[J]. Neurosci Lett,2011,497(2):144-147.

[11]Huhn R,Heinen A,Weber NC,et al. Helium-induced late preconditioning in the rat heart in vivo[J]. Br J Anaesth，2009,102(5):614-619.

[12]徐偉,陸一鳴,陳爾真,等.氦氧混合氣體治療慢阻肺急性加重期的臨床評價[J].中國急救醫(yī)學(xué),2007,27(8):685-687.

[13]解立新, 宋戰(zhàn)平, 劉又寧.氦氧混合氣聯(lián)合霧化吸入藥物治療重癥哮喘的協(xié)同作用[J].中華急診醫(yī)學(xué)雜志,2002,11(5):331-333.

[14]李志平，謝燦茂，郭禹標(biāo)，等.慢性阻塞性肺疾病患者吸入氦氧混合氣后肺功能改善的機(jī)制探討[J].現(xiàn)代康復(fù)，2001,5(17):27-28.

(本文編輯：許卓文)

[收稿日期]2015-05-15；[修回日期]2015-06-29

[基金項目]福建省科技廳社會發(fā)展重點項目(2010Y0026)

[作者簡介]朱帥俊(1980-)，男，河南郟縣人，福建醫(yī)科大學(xué)附 *通訊作者。E-mail：wqy1961@yahoo.cn

[中圖分類號]R563.9

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1007-3205(2016)05-0523-05

Effects of Helium-Oxygen Mechanical Ventilationin in patients with acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease

ZHU Shuai-jun1， CHEN Dong-mei1， HE Xin-min2， WONG Qin-yong1*

(1.Department of Intensive Care Unit, Fujian Medical University Union Hospital, Fuzhou 350001,China;2.Department of Graduate School , the Affiliated First Hospital of Fujian Medical University, Fuzhou 350001, China)

【Abstract】ObjectiveTo investigate the effect of helium-oxygen mechanical ventilation on peak airway pressure(P peak), partial pressure of carbon dioxide(PaCO2), partial pressure of oxygen(PaO2), Interleukin 8(IL-8) and tumor necrosis factor α(TNF-α) in patients with acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease(AECOPD). MethodsSixty cases of mechanical ventilation were selected and randomly divided into the experimental group and the control group，with 30 cases in each group. All patients were treated with modified closed ventilator. Experimental group was treated with helium-oxygen mechanical ventilation(60% helium vs 40% oxygen). Control group was treated with nitrogen-oxygen mechanical ventilation(60% nitrogen vs 40% oxygen), The changes of P peak, PaO2, PaCO2 were observed before treatment, 30 min, 90 min, 120 min after treatment. Enzyme linked immunosorbent assay were used to detect serum concentrations of IL-8 and TNF-α at four time points in 2 groups of patients. ResultsThe P peak and PaCO2 in experimental group were decreased significantly 30 min after treatment and then remained stability. But the control group did not improved significantly. The PaO2 in experimental group was increased significantly 30 min after treatment and then remained stability. But the control group did not improved significantly. The IL-8 and TNF-α in experimental group decreased significantly 120 min after treatment, while the control group did not improved significantly. ConclusionHelium-oxygen mechanical ventilation can significantly reduce AECOPD patients airway pressure, improve oxygenation and reduce carbon dioxide retention. When the treatment reaches a certain time, the helium oxygen mechanical ventilation can reduce concentrations of IL-8 and TNF-α, which has a certain regulating effect on chronic airway inflammation. At the same time, The improved ventilator can be achieved using the helium cycle, which greatly saves the cost of treatment.

[Key words]pulmonary disease, chronic obstructive； helium-oxygen mechanical ventilation; cytokines

屬協(xié)和醫(yī)院主治醫(yī)師，醫(yī)學(xué)碩士，從事危重癥診治研究。