肺移植圍麻醉期缺血/再灌注損傷的研究進展

胡春曉，袁圣劼，王志萍（南京醫(yī)科大學附屬無錫市人民醫(yī)院麻醉科，江蘇，無錫 214023）

肺移植術(shù)是目前臨床上治療慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease， COPD）、特發(fā)性肺纖維化（idiopathic pulmonary fibrosis， IPF）、肺囊性纖維化、ɑ-1抗胰蛋白酶缺乏、特發(fā)性肺動脈高壓等肺部疾病最為有效的醫(yī)學手段［1-2］。它的首次試驗是在狗的肺葉移植中取得了成功，隨后吸引了來自世界各地的醫(yī)學研究者們?nèi)硇牡赝度氲皆擁椉夹g(shù)的實驗研究中，不斷完善和改進相關(guān)理論知識和臨床手術(shù)方法。我國的肺移植技術(shù)研究起步較晚，加上包括活體供應(yīng)、運輸途徑等條件的限制，發(fā)展比較緩慢，但近幾年也逐步取得了一些富有創(chuàng)新性的成果。

縱觀國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進展，不難發(fā)現(xiàn)，肺缺血/再灌注損傷（ischemia reperfusion injury，IRI）是影響肺移植術(shù)成功率的重要因素之一。這類由于器官捐獻和術(shù)過程中肺循環(huán)阻斷而引起的肺部缺血性損傷，會在肺循環(huán)再灌注時進一步出現(xiàn)加重的現(xiàn)象。為了保證手術(shù)后肺器官在受體內(nèi)的存活率，提高患者的存活率，必須對肺IRI進行嚴格的管控，使其損傷程度盡可能地降低到最小。臨床上，導(dǎo)致肺IRI的原因十分復(fù)雜。從宏觀角度來看，它與供體本身的健康狀況有關(guān)；而從微觀角度來分析，它涉及了細胞與細胞之間、細胞與介質(zhì)之間所交織成的網(wǎng)絡(luò)體系中的相互作用關(guān)系。分析其機制，大致與自由基損傷、炎癥反應(yīng)、鈣超載、NO作用以及肺表面活性物質(zhì)缺失等有關(guān)。

考慮到可能存在的損傷機制，國內(nèi)外研究者在肺IRI的預(yù)防措施研究上做了大量的實驗工作。本文在參考了該領(lǐng)域大量研究報道的基礎(chǔ)上，對肺IRI的機制和預(yù)防措施進行了歸納總結(jié)，在比較分析了它們之間的差異性后，提出了今后該項研究可能的發(fā)展方向。

1 肺IRI發(fā)生機制

1.1 缺氧直接作用：缺氧組直接作用于細胞，導(dǎo)致線粒體不能進行氧化磷酸化，無法產(chǎn)生足夠的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate， ATP），導(dǎo)致細胞膜跨膜離子轉(zhuǎn)運受到影響，引起細胞水腫［3］。此外，線粒體和溶酶體也會腫脹崩解，造成廣泛的細胞損傷［4］。

1.2 再灌注損傷：再灌注損傷的機制尚未完全闡明，目前認為主要與氧自由基的作用、鈣超載、炎癥細胞的作用、NO的大量產(chǎn)生、肺表面活性物質(zhì)缺失等有關(guān)［5-6］。

1.2.1 氧自由基的作用：缺血/再灌注后，肺內(nèi)氧自由基生成增多，主要是由黃嘌呤氧化酶生成增多、中性粒細胞聚集及激活以及線粒體功能受損引起的［4］。缺血時，黃嘌呤脫氫酶（XD）大量轉(zhuǎn)化為黃嘌呤氧化酶（XO）。同時，缺氧導(dǎo)致ATP不能用來釋放能量，并降解為ADP、AMP和次黃嘌呤，故缺血缺氧的組織內(nèi)XO和次黃嘌呤大量堆積。再灌注時，大量氧分子進入缺血組織，XO催化次黃嘌呤轉(zhuǎn)化為黃嘌呤并進一步催化黃嘌呤轉(zhuǎn)化為尿酸，這兩步反應(yīng)產(chǎn)生大量氧自由基［7］，這些氧自由基起到了原發(fā)的主要作用，作用于細胞膜后產(chǎn)生大量趨化因子，吸引中性粒細胞聚集并激活，再灌注后這些中性粒細胞耗氧量顯著增加，產(chǎn)生大量氧自由基，即氧爆發(fā)或稱呼吸爆發(fā)［4］。此外，缺氧使線粒體氧化磷酸化功能障礙，細胞色素氧化酶功能失調(diào)，電子傳遞鏈受損，使得進入細胞內(nèi)的氧經(jīng)單電子還原而變?yōu)檠踝杂苫Ｑ踝杂苫餓RI的機制主要包括3點：① 氧自由基與細胞膜脂質(zhì)不飽和脂肪酸作用，使細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能均受損，并間接抑制了膜蛋白功能；② 細胞結(jié)構(gòu)蛋白和酶的巰基被氧自由基氧化為二硫鍵，直接損傷了蛋白質(zhì)的功能；③ 氧自由基造成細胞染色體畸變、核酸堿基改變及DNA斷裂［4］。因此，氧自由基的大量產(chǎn)生是IRI發(fā)生、發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

1.2.2 炎性反應(yīng)與炎癥介質(zhì)的釋放：肺缺血/再灌注時，大量炎性細胞被激活，激活的炎性細胞流速緩慢，形成滾動現(xiàn)象，阻塞小動脈和小靜脈，有利于“無復(fù)流現(xiàn)象”的發(fā)生，加重肺部微循環(huán)障礙［8］。此外，IRI導(dǎo)致大量生物活性物質(zhì)的釋放，如自由基、蛋白酶及細胞因子等，并可引起免疫反應(yīng)，導(dǎo)致微血管損傷及細胞的破壞。

1.2.2.1 核轉(zhuǎn)錄因子（nuclear factor-kappa B， NF-κB）：NF-κB是一組真核細胞轉(zhuǎn)錄因子［9］，實驗結(jié)果顯示，肺組織IRI后2小時NF-κB表達尤為顯著［10］，這與氧自由基損傷核酸及蛋白質(zhì)，影響了細胞轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)有關(guān)，并進一步導(dǎo)致肺組織的損傷［11］。NF-κB在單核細胞中活化后可誘導(dǎo)大量腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α， TNF-α）、白細胞介素（IL-1β、IL-6、IL-8）、各種黏附分子、趨化因子的表達，這些細胞因子通過各種反饋刺激機制參與并放大機體的炎癥反應(yīng)。目前認為NF-κB在IRI中具有重要作用，并可作為調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的樞紐［12-13］。

1.2.2.2 TNF-α：經(jīng)自由基、細胞因子等刺激后，淋巴細胞及巨噬細胞產(chǎn)生大量TNF-α，作為一種重要的促炎因子，其在肺IRI早期起著重要作用。Khimenko等［14］研究發(fā)現(xiàn)，肺缺血2小時前，在腹腔注射抗TNF-α抗體，可以使損傷明顯減輕，這說明TNF-α是肺短期缺血過程中引起肺內(nèi)皮細胞損傷的級聯(lián)炎癥反應(yīng)的重要因子之一。其介導(dǎo)IRI機制為改變細胞蛋白、磷脂和RNA，導(dǎo)致細胞功能障礙或細胞死亡。

1.2.2.3 白細胞介素：IL-6主要由激活的巨噬細胞產(chǎn)生，它可促進炎癥介質(zhì)的釋放，是參與IRI的一種毒性分子，且其含量增加與一氧化氮的釋放有關(guān)［15］。Pham等［16］測定肺移植患者再灌注前后血清中IL-6水平，發(fā)現(xiàn)再灌注前IL-6含量甚微，再灌注4小時后達峰值，24小時后降至原來水平，其值與臨床所見的肺再灌注損傷嚴重程度相關(guān)。

IL-10是一種在肺IRI中起保護作用的細胞因子［17］，它作為一種抗原提呈抑制劑，可以抑制Ⅱ類主要組織相容性復(fù)合體表達以及協(xié)同刺激分子CD80和CD86的上調(diào)；同時，它還有抑制單核前體細胞向樹突狀細胞的分化及樹突狀細胞的成熟，抑制巨噬細胞和樹突狀細胞產(chǎn)生致炎細胞因子和介質(zhì)的作用［18］。研究顯示，外源性 IL-10可以使移植后再灌注損傷、急性排斥反應(yīng)等并發(fā)癥有不同程度的減輕［19］。

IL-8是一種肺IRI中重要的促炎細胞因子，由激活的中性粒細胞和單核細胞產(chǎn)生，可誘導(dǎo)肺中性粒細胞釋放TNF-α和TNF-γ。IL-8在再灌注后才明顯升高，再灌注2小時后IL- 8的水平與術(shù)后早期肺功能不全的預(yù)后有重要的關(guān)聯(lián)［20］，并且與氧合指數(shù)（PaO2/FiO2）、平均氣道壓呈負相關(guān)，供肺組織內(nèi)的IL-8水平增加程度與移植肺功能障礙和移植后病死率密切相關(guān)［21］。

1.2.2.4 PAF：PAF是肺巨噬細胞、血小板、肥大細胞、內(nèi)皮細胞和中性粒細胞等釋放的磷脂代謝產(chǎn)物［22］，它在IRI中起到多方面的作用。PAF可以激活白細胞，刺激白細胞黏附趨化和顆粒釋放，造成肺組織損傷；能增加白細胞表面黏附的糖蛋白表達和激活促進白細胞與內(nèi)皮細胞黏附;能激活內(nèi)皮細胞，引起細胞形態(tài)學變化和血管壁通透性增加，導(dǎo)致肺水腫［23］。

1.2.3 鈣超載：正常細胞外鈣濃度比細胞內(nèi)高出約萬倍，各種原因引起的細胞內(nèi)鈣含量異常增多并導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)損傷和代謝功能障礙的現(xiàn)象稱為鈣超載［4］。缺血/再灌注時，細胞外鈣內(nèi)流大量增加，可能的機制有Na+-Ca2+交換異常以及生物膜的損傷。缺血缺氧時，ATP生成減少，鈉泵活性降低，細胞內(nèi)Na+濃度增加，直接激活Na+/Ca2+交換蛋白，此外，細胞內(nèi)pH的降低和蛋白激酶C的活化均會間接激活Na+/Ca2+交換蛋白，使大量Ca2+進入細胞；同時，細胞膜、肌漿網(wǎng)膜和線粒體膜的通透性增加，造成進入細胞Ca2+增多、肌漿網(wǎng)攝取Ca2+減少，進一步加重鈣超載。

細胞內(nèi)Ca2+增多后，可增強多種酶活性，如鈣依賴性蛋白酶及某些ATP酶，前者能促使黃嘌呤脫氫酶轉(zhuǎn)化為黃嘌呤氧化酶，增加氧自由基；后者能催化高能磷酸鹽水解，產(chǎn)生大量H+，加重酸中毒。此外，聚集在細胞內(nèi)的Ca2+被肌漿網(wǎng)、線粒體攝取過程中消耗大量ATP，同時進入線粒體的Ca2+與磷酸根的化合物結(jié)合形成不溶性的磷酸鈣，干擾線粒體功能，加重能量代謝障礙，造成對肺組織的損傷。

1.2.4 NO與NOS：已有實驗表明NO可減輕IRI，它可以擴張肺血管，降低血管通透性，減輕肺水腫，其可能為其能夠促進粒細胞凋亡，抑制氧化反應(yīng)及減少炎癥因子（TNF -α、IL-6）等的表達有關(guān)［24］。在體內(nèi)NO主要由一氧化氮合酶（NOS）催化合成，肺內(nèi)的NOS有4種亞形：內(nèi)皮細胞型（eNOS）、神經(jīng)元型（nNOS）和誘導(dǎo)型（iNOS）和線粒體型（mtNOS）。eNOS主要分布在肺血管內(nèi)皮細胞，iNOS主要分布在肺泡壁上的肺泡Ⅱ上皮細胞。目前認為，eNOS和正常生理狀態(tài)下iNOS具有一定的抗炎作用［25］，過度表達的iNOS和mtNOS則具有一定的促炎作用［26-27］。在病理狀態(tài)下，iNOS可被誘導(dǎo)表達，產(chǎn)生過量的NO，這種過量的NO能抑制細胞色素氧化酶，產(chǎn)生大量的ROS，并能與ROS作用生成過氧硝酸鹽，導(dǎo)致細胞和組織的損害，加重肺損傷［28］。

1.2.5 肺泡表面活性物質(zhì)（pulmonary surfactant，PS）減少：PS是由肺泡Ⅱ型上皮細胞合成的蛋白-磷脂混合物，其主要功能是維持肺泡的表面張力，防止肺泡萎陷。研究表明，內(nèi)源性PS減少是體外循環(huán)后肺損傷病變發(fā)展的重要因素［29］。也有大量臨床實驗表明在肺缺血/再灌注前給予外源性PS可有效減輕IRI。

2 肺IRI保護措施

針對肺IRI的發(fā)生機制，理論上可從多個靶點干預(yù)甚至阻斷其進展，如減少某些關(guān)鍵的細胞因子以抑制炎癥反應(yīng)、清除氧自由基、減輕鈣超載、補充PS等，并且多種保護措施已經(jīng)在動物實驗中獲得了肯定的效果，更有部分已經(jīng)應(yīng)用于臨床，例如供肺的保護、肺移植術(shù)中糖皮質(zhì)激素、烏司他丁、右美托咪定、鈣拮抗劑等藥物的使用、肺缺血后處理等。

2.1 肺移植術(shù)前

2.1.1 供肺預(yù)缺血處理：預(yù)缺血處理是指組織器官經(jīng)反復(fù)短暫缺血后，會明顯增強其對隨后較長時間IRI抵抗力的現(xiàn)象，減輕肺IRI。該方法可抑制炎性細胞因子如TNF-α、IL-6和IL-8的合成及釋放，抑制中性粒細胞的浸潤，減輕肺血管內(nèi)皮細胞損傷從而降低肺毛細血管的通透性。動物實驗研究表明，供肺缺血預(yù)處理后，可抑制肺組織中NF-κB的表達，這可能是其抑制炎癥反應(yīng)的機制之一［30］。

2.1.2 器官保存液：目前使用的器官保存液多為細胞外液型保存液低鉀右旋糖酐葡萄糖液（low potassium dextran glucose，LPDG），經(jīng)動物實驗比較不同的器官保存液對肺移植術(shù)后早期肺功能的影響，大部分結(jié)果表明LPDG 液更適合于供肺的保存，其優(yōu)點在于低鉀以及含有右旋糖酐，低鉀對內(nèi)皮細胞結(jié)構(gòu)和功能損傷比較輕，使氧自由基和肺縮血管物質(zhì)釋放較少，右旋糖酐能增加紅細胞變形性，防止紅細胞聚集及血栓形成，這些都使肺微循環(huán)得到改善，保護內(nèi)皮-上皮屏障，從而減少再灌注時肺水腫的發(fā)生［31］。也有實驗表明向保存液內(nèi)添加藥物如烏司他丁、前列腺素、鈣離子通道阻滯劑等可提高保存效果。

2.1.3 離體肺灌注（ex vivo lung perfusion，EVLP）：離體肺灌注在過去主要用于研究肺生理以及實驗中評價不同保存條件或保存液對肺功能的影響，近年來則作為一種肺保存方法使用。EVLP的優(yōu)點是維持器官代謝功能，延長供肺保存時限；對肺功能進行評估；可進行器官復(fù)蘇或積極治療以修復(fù)損傷的肺組織，從而提高手術(shù)的安全性和預(yù)測性［31］。

2.1.4 藥物處理

2.1.4.1 A2B腺甙受體拮抗劑：有動物實驗表明術(shù)前用A2B腺甙受體拮抗劑處理供肺可有效減輕IRI。Huerter等［32］以大鼠為實驗對象，采用選擇性A2B腺甙受體拮抗劑ATL802處理了無心跳肺供體，與未處理組相比，結(jié)果顯示處理組肺順應(yīng)性增強、氣道壓力降低，供肺功能明顯改善。其機制為A2B腺甙受體拮抗劑可減少IL-8分泌，抑制中性粒細胞滲出，降低肺血管通透性，從而減輕肺IRI。

2.1.4.2 一氧化碳（CO）：CO作為一種保護性氣體，能夠有效去除氧自由基，可作為減輕肺移IRI的一種新療法。Meng等［33］將大鼠分為兩組，在供肺在冷血期間分別用CO和N2進行吸入處理，結(jié)果顯示吸入CO的供肺順應(yīng)性更好、氣道壓力更低，其炎癥反應(yīng)明顯減輕，自由及含量減少，肺泡上皮受損較少，有效減輕IRI。也有動物實驗顯示，以CO和H2聯(lián)合處理供肺將達到更好的效果［34］。

2.1.4.3 H2S：H2S在各器官中的抗IRI作用已得到較廣泛的認可。動物實驗中可觀察到，供肺在冷缺血期間內(nèi)以H2S吸入處理后，肺缺血/再灌注損傷減輕，這與H2S可清除肺內(nèi)氧自由基有關(guān)［35］。

2.1.4.4 伊馬替尼：伊馬替尼是一種酪氨酸激酶抑制劑，它具有阻斷一種或多種蛋白激酶的作用。動物實驗結(jié)果顯示，將在體供肺用伊馬替尼處理后，其IRI減輕。其主要機制是伊馬替尼可以降低肺內(nèi)IL-8水平，提高IL-10水平，并有效減少中性粒細胞的滲出，增強抗炎因子水平，減輕肺水腫［36］。

2.1.4.5 烏司他?。簽跛舅∈且环N廣譜的蛋白酶抑制劑，已在減輕器官IRI和抑制機體炎癥反應(yīng)的方面得到了廣泛的應(yīng)用。在動物實驗中可觀察到，離體肺灌注液中加入烏司他丁后，TNF-α含量降低，IL-10 mRNA表達上調(diào)，內(nèi)源性IL-10分泌增加，抑制炎癥細胞因子，從而減輕IRI［37］。

2.2 肺移植術(shù)中

2.2.1 臨床藥物的使用

2.2.1.1 七氟烷：七氟烷是一種在臨床中應(yīng)用廣泛的吸入麻醉藥。已有研究表明，患者在術(shù)中吸入這種藥物以后，可以有效減輕IRI。其相關(guān)機制可以分為以下幾點：抑制炎性介質(zhì)IL-6等的產(chǎn)生、加速L-Ca2+通道激活并減少Ca2+內(nèi)流從而減輕鈣超載、阻斷 NF-κB 移位進入細胞核［38］。Ohsumi等［39］在大鼠的肺移植實驗中，利用七氟烷進行預(yù)處理及后處理，證明了該藥物對于減輕早期IRI有很好的效果。

2.2.1.2 右美托咪定（DEX）：作為麻醉中常用的鎮(zhèn)靜藥物，右美托咪定也可以用來減輕肺移植術(shù)中的IRI。其主要機制為下調(diào)NF-κB的活性和減少炎性因子TNF-α的釋放［40］。動物實驗顯示DEX對肺組織具有明顯保護效應(yīng)，且抗炎效應(yīng)與器官保護功能和其劑量存在一定相關(guān)性，但具體最佳劑量尚未探明［41］。

2.2.1.3 米力農(nóng)：米力農(nóng)是一種磷酸二酯酶抑制劑，其不但能增強心肌收縮力，還可抑制炎性反應(yīng)，減輕肺損傷［42］。衛(wèi)炯琳等［43］在大鼠左肺移植后再灌注開始的同時予0.4 mg/ml米力農(nóng)霧化吸入2小時，結(jié)果顯示米力農(nóng)可提高eNOS活性、降低iNOS活性，使內(nèi)源性NO增多，并能抑制肺組織內(nèi)炎性介質(zhì)釋放、減少中性粒細胞激活，從而減輕大鼠肺移植后肺組織的IRI［43］。

2.2.1.4 糖皮質(zhì)激素：糖皮質(zhì)激素可起到抑制免疫和抗炎作用，在肺移植術(shù)中已得到廣泛應(yīng)用，常用方法是在移植肺動脈開放前應(yīng)給予甲強龍500 mg，可抑有效抑制白細胞激活和炎癥介質(zhì)釋放，減輕再灌注損傷。同時，臨床觀察發(fā)現(xiàn)該劑量糖皮質(zhì)激素的使用還可以降低術(shù)后感染的發(fā)生率［44］。

2.2.1.5 其他藥物：除上述藥物外，還有其他許多藥物被證明具有減輕IRI的作用，如鈣離子拮抗劑可有效減輕鈣超載、前列環(huán)素類藥物可擴張血管提高組織氧供、外源性PS可以搞肺順應(yīng)性。多種新型藥物在減輕肺移植術(shù)中IRI的方面的作用也不斷被探索和研究，如重組人IL-10、PAF抑制劑、抑肽酶、NF-κB抑制劑吡咯烷二硫代氨甲酸酯（PDTC）等，但臨床應(yīng)用仍較為罕見。

2.2.2 缺血后處理：肺缺血后處理是指在缺血/再灌注之前，反復(fù)對肺進行短暫的預(yù)再灌和停灌。段明科等［45］對大鼠在體肺進行以下處理：缺血45分鐘、短暫再灌注1分鐘、缺血1分鐘，反復(fù)5次，然后全面恢復(fù)灌注50分鐘，與直接缺血45分鐘后再灌注60分鐘者進行對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過缺血預(yù)處理的肺組織內(nèi)氧自由基含量減少，中性粒細胞浸潤較少，IRI減輕。也有動物實驗證明缺血后處理能明顯減輕早期肺移植損傷，其機制可能與抑制IKKβ/NF-κB信號通路的激活及炎癥因子TNF-α的表達有關(guān)［46］。劉國華等［47］對大鼠肺組織進行了缺血預(yù)處理聯(lián)合缺血后處理，認為聯(lián)合處理效果更優(yōu)于僅單獨缺血后處理。

2.2.3 治療性高碳酸血癥：治療性高碳酸血癥即高吸入CO2濃度的同時不減少潮氣量，以達到治療目的。高碳酸血癥可以通過以下幾個環(huán)節(jié)減輕IRI：① 抑制黃嘌呤氧化酶活性，減少氧自由基產(chǎn)生［48］；② 抑制細胞核因子-κ B的活性，從信使核糖核酸和蛋白質(zhì)水平抑制了TNF-α、IL-1等的釋放，減少中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤，減輕炎癥反應(yīng)［49］；③ 療性高碳酸血癥可增加一氧化氮的產(chǎn)生［50］；④ 治療性高碳酸血癥增加微血管細胞環(huán)磷酸腺苷的產(chǎn)生，該種環(huán)核苷酸對組織損傷有較強的保護功能［51］。Mrazkova等［52］的研究發(fā)現(xiàn)，熱缺血時給提高吸入CO2濃度并無明顯效果，僅在再灌注之后給予治療性高碳酸血癥才可減輕肺水腫并提高肺的氧交換功能。

3 展 望

綜上所述，針對肺移植圍術(shù)期IRI的發(fā)生機制，對其防治措施已有了較為廣泛與深入的探索，并逐漸向分子生物學領(lǐng)域進展。盡管多數(shù)干預(yù)措施仍停留于動物實驗階段，并且其臨床效果尚不明朗，但是動物實驗至少證明了這些措施的可行性，為其臨床應(yīng)用奠定了重要的理論和實踐基礎(chǔ)。肺移植圍麻醉期的IRI防治研究任重而道遠，仍需要進一步的探索與實踐。