體外膜肺氧合支持治療中的凝血與抗凝

崔勇麗(綜述),劉晉萍,龍 村(審校)

體外膜肺氧合(extracorporealmembrane oxygenation,ECMO)支持治療技術(shù)的不斷發(fā)展挽救了大量經(jīng)常規(guī)治療無效的心肺功能衰竭患者的生命。隨著生物工程技術(shù)以及醫(yī)療水平的提高,ECMO的并發(fā)癥顯著降低,生存率明顯提高,但在 ECMO治療期間,出血或栓塞等凝血系統(tǒng)相關(guān)性并發(fā)癥仍然是影響著致病率及死亡率的主要因素之一[1-3]。因此,本文就 ECMO支持過程中凝血系統(tǒng)的變化及抗凝治療的進展綜述如下。

1 ECMO支持過程中凝血系統(tǒng)的特點

1.1 生物材料與凝血系統(tǒng)活化 ECMO從靜脈系統(tǒng)引流血液進入人工膜肺氧合、排除二氧化碳,并將保溫后的氧合血回輸至患者體內(nèi)。在 ECMO輔助期間,整個血液系統(tǒng)與管路的異物表面持續(xù)接觸。在生理條件下血液與完整的內(nèi)皮接觸,完整的血管內(nèi)皮可分泌產(chǎn)生許多抗凝及促凝成份,而兩種成份之間的平衡維持著血管的完整性及血液的流動性[4]。ECMO使用的管路是人工生物材料表面,無法同內(nèi)皮細(xì)胞一樣具有分泌功能,因此,整個凝血系統(tǒng)向促凝方向傾斜。

當(dāng)肝素化的血液與人工材料接觸的瞬間,血漿中的蛋白就會吸附到生物材料表面[5-7]。吸附蛋白的種類及分布情況與蛋白在血漿中的濃度以及生物材料的內(nèi)源表面活性相關(guān)。該內(nèi)源表面活性又與生物材料的物理特性及化學(xué)特性相關(guān)。也就是說,某種生物材料對某種血漿蛋白有特異性。雖然如此,但被吸附的血漿蛋白在同一種生物材料表面的分布情況是不一致的,且吸附的蛋白濃度隨時間而改變,因此我們很難對某種生物材料凝血激活能力進行預(yù)測或評估。

通常,大部分生物材料會選擇性吸附纖維蛋白原[7],纖維蛋白原將牢固且不可逆的附著于生物材料表面,隨即發(fā)生構(gòu)象改變,這種構(gòu)象改變會暴露出特定的氨基酸集團與血小板 GPⅡb/Ⅲa受體結(jié)合,粘連的血小板被活化、脫顆粒。另外,被吸附的因子Ⅻ會活化內(nèi)源性凝血途徑。雖然內(nèi)源性凝血通路在生理性情況下幾乎不產(chǎn)生凝血酶,但在類似于 ECMO這種非內(nèi)皮環(huán)境里,內(nèi)源性凝血途徑確實是產(chǎn)生凝血酶的途徑之一。

1.2 外源性凝血途徑與凝血系統(tǒng)活化 大部分ECMO患者在行機械支持前曾接受過手術(shù)治療,因此,外源性凝血途徑除了在生理情況下是凝血酶產(chǎn)生的主要途徑,在 ECMO過程中仍然是凝血酶產(chǎn)生的關(guān)鍵。當(dāng)血管內(nèi)皮受到損傷,成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞以及血漿中的單核細(xì)胞等多種細(xì)胞受到刺激后釋放組織因子,組織因子與血液中的因子Ⅶ結(jié)合形成復(fù)合物,一方面直接激活因子Ⅹ和因子Ⅸ,另一方面使因子Ⅶ活化,令凝血過程加速,放大凝血瀑布。

1.3 炎性反應(yīng)與凝血系統(tǒng)活化 血液與非生物表面接觸時會激活一系列的細(xì)胞成分及蛋白成分,這些成分中的很大部分都是炎性反應(yīng)中的重要組分[8]。其中的細(xì)胞成分包括:中性粒細(xì)胞,單核細(xì)胞,淋巴細(xì)胞,內(nèi)皮細(xì)胞,血小板等;蛋白成分包括:細(xì)胞因子,補體系統(tǒng),凝血因子,纖溶系統(tǒng)蛋白等。而全身炎癥反應(yīng)將通過組織因子途徑、接觸途徑、體內(nèi)抗凝途徑,以及纖溶途徑進一步影響凝血系統(tǒng)。也就是說,炎癥反應(yīng)與凝血系統(tǒng)相互激活、相互促進,使整個凝血-抗凝平衡愈來愈傾向于促凝優(yōu)勢。

1.3.1 中性粒細(xì)胞 肝素化的血液、管路表面蛋白層、受損的內(nèi)皮細(xì)胞均可激活中性粒細(xì)胞,中性粒細(xì)胞可通過整合素巨噬細(xì)胞分化抗原-1(Mac-1)與纖維蛋白原、纖維蛋白、因子Ⅹ以及血小板相連接,并且中性粒細(xì)胞可分泌彈性蛋白酶。因此,中性粒細(xì)胞的活化一方面可以促進凝血酶的產(chǎn)生,另一方面可以降解抗凝血酶。

1.3.2 單核細(xì)胞 活化的中性粒細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子,該類細(xì)胞因子激活單核細(xì)胞。單核細(xì)胞與血漿中的組織因子聯(lián)合加速因子Ⅶ向活化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,這種作用是單核細(xì)胞所特有的,中性粒細(xì)胞及淋巴細(xì)胞都沒有這樣的作用。并且單核細(xì)胞可分泌組織因子,但峰值通常出現(xiàn)在細(xì)胞活化后的 3～4 h,因此,其對凝血所產(chǎn)生的影響主要作用于長時間的體外循環(huán)及體外生命支持過程中[9-11]。

1.3.3 細(xì)胞因子 ECMO過程中,主要的幾種炎性細(xì)胞因子分別為:白介素(IL)-1β,IL-6,IL-8,腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)。這些炎癥反應(yīng)中的細(xì)胞因子對凝血的影響有:增加組織因子、增加纖溶酶原活化因子抑制劑 1(PAI-1)水平和抑制 C、S蛋白抗凝系統(tǒng)的作用。IL-1β,IL-6和 TNF-α可促進血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生組織因子,激活主要凝血途徑。并且,Schroeder S等人的研究中顯示,TNF及 IL-1可從基因水平上降解內(nèi)皮細(xì)胞表面凝血酶調(diào)節(jié)蛋白(TM)的表達[12],而 TM是加速蛋白 C活化的重要輔助因子,在凝血酶-TM復(fù)合物的作用下,蛋白 C的活性可增加 20倍[13],沒有 TM的作用,蛋白 C系統(tǒng)抗凝的活性將大大降低。另外,這些炎性因子可阻止內(nèi)皮細(xì)胞合成組織型纖溶酶原激活物(r-PA),增加凝血酶激活纖溶抑制物(TAFI)和 PAI-1的活性及數(shù)量[14]。由此可見,整個促凝系統(tǒng)被激活,而抗凝系統(tǒng)受到抑制,促凝作用是主導(dǎo)。

1.3.4 補體 當(dāng)肝素化的血液進入人工材料管路時,凝血系統(tǒng)被活化,因子Ⅹa、Ⅺa和纖溶酶剪切 C5和 C3,產(chǎn)生 C5a和 C3a。凝血酶不僅僅剪切 C5,還可以產(chǎn)生 C3a[15]。因此,凝血系統(tǒng)被激活時,補體系統(tǒng)也被活化。有研究認(rèn)為 C5a可以增加組織因子的活性,活化外源性凝血途徑,另有研究發(fā)現(xiàn),C5a有增加PAI-1活性、減少纖溶的作用[16]。

2 ECMO支持過程中抗凝

根據(jù)上文所述,在 ECMO輔助期間,凝血系統(tǒng)的精妙平衡被打破,整個平衡向促凝方向傾斜。因此,為了減少促凝活性、預(yù)防血栓及消耗性出血,必須給予外源性抗凝治療。并且積極地從根本上尋求解決方式。

2.1 管路系統(tǒng)改良 由于凝血系統(tǒng)最主要的激活原因是血液與異物表面的接觸,因此,改良管路系統(tǒng)著眼點便是改善材料的生物相容性。這些技術(shù)包括各種涂層技術(shù)及表面修飾添加物的使用。近年來,各種各樣的管道材料改良方法層出不窮,見表1[17]。雖然有眾多研究認(rèn)為,這項技術(shù)可以降低凝血激活及炎癥反應(yīng),減少肝素用量;但也有很大一部分學(xué)者卻認(rèn)為使用涂層管路而降低肝素用量會增加血栓的風(fēng)險。近期關(guān)于體外循環(huán)中應(yīng)用涂層管道的一項薈萃分析顯示,僅僅這一項改變所帶來臨床益處非常有限[18],通過修飾和生物材料表面涂層來抑制血栓形成及炎癥反應(yīng)的措施目前是無效的。但是,關(guān)于 ECMO輔助期間使用涂層管路能否減少肝素用量并改善預(yù)后,目前尚無相關(guān)報道。

目前另一項技術(shù)是將可以釋放 NO的高分子材料整合到管路表面,使管路表面更加接近內(nèi)皮細(xì)胞。這項技術(shù)在動物模型上不僅可以減少血小板消耗,還可以減少系統(tǒng)肝素用量[19-20]。但具體效果如何尚無臨床評價。

表1 管路涂層技術(shù)

2.2 肝素抗凝 理想的抗凝藥物應(yīng)該可以抑制凝血酶活性及血小板活化,而凝血系統(tǒng)的活性又應(yīng)足以防止出血事件的發(fā)生。但是這種藥物所需達到的精準(zhǔn)程度在目前醫(yī)學(xué)技術(shù)上尚無法實現(xiàn)。因此,應(yīng)用肝素仍然是現(xiàn)有 ECMO抗凝措施中最廣為接受的“金標(biāo)準(zhǔn)”。肝素通過與抗凝血酶-Ⅲ(AT-Ⅲ)結(jié)合發(fā)揮抗凝作用,低劑量時抑制Ⅹ因子,從而抑制凝血酶原向凝血酶轉(zhuǎn)變;高劑量時可抑制Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ因子和凝血酶,阻止纖維蛋白原向纖維蛋白轉(zhuǎn)化;它還抑制 XIII因子,防止纖維蛋白形成穩(wěn)定的纖維蛋白凝塊。

肝素的抗凝效果通常是用 ACT來監(jiān)測的,維持ACT在 180～250 s之間,當(dāng)患者出血風(fēng)險較大時適當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn),而具有血栓傾向時相應(yīng)提高抗凝標(biāo)準(zhǔn)。但是這些都是經(jīng)驗性的做法。通過臨床觀察及試驗發(fā)現(xiàn),ACT值與血漿肝素水平以及抗因子Ⅹa活性之間的相關(guān)性并不令人滿意[21-22]。這主要是由于肝素發(fā)揮作用的機制和 ACT監(jiān)測原理所造成的。當(dāng) AT-Ⅲ、Ⅻ因子活性降低,血小板及纖維蛋白原濃度下降到一定程度時,ACT值就不能維持與肝素濃度的線性相關(guān)了,而這種情況在小兒又尤為多見[23]。近期有一項關(guān)于 ECMO的活檢序列性研究顯示,隨著 ECMO輔助時間的延長,血栓栓塞事件的發(fā)生幾乎呈線性增加,并且發(fā)生率高達 50%[24]。Baird CW等人的另一項研究也進一步驗證,嬰幼兒ECMO管理過程中 ACT維持在180～220 s可能會導(dǎo)致抗凝不足,增加肝素劑量可改善生存率,但與 ACT不相關(guān)[25]。

這說明對于長時間抗凝的 ECMO患者來說,ACT不能敏感地反應(yīng)抗凝是否充足,因此可以考慮增加其他監(jiān)測方法,比如說測量因子Ⅹa活性、肝素濃度、凝血酶水平等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)由于 AT-Ⅲ水平下降影響肝素抗凝效果時,可考慮給予補充血漿來糾正。

2.3 非肝素抗凝 肝素可引起肝素誘導(dǎo)性血小板減少,雖然發(fā)生率非常低,一旦發(fā)生常常致命。并且由于肝素抗凝本身存在的缺陷,新的抗凝策略則應(yīng)運而生。這種新的抗凝策略主要是以直接凝血酶抑制劑來達到更直接的抗凝效果,與肝素相比,能夠更好的抑制凝血酶的產(chǎn)生,但對其他凝血因子的作用較小[26]。這種不依賴 AT-Ⅲ發(fā)揮作用的抗凝藥物適用于嬰幼兒以及肝素誘導(dǎo)性血小板減少癥的患者。根據(jù)半衰期以及監(jiān)測的難易程度等,在眾多直接凝血酶抑制劑中,目前臨床 ECMO抗凝管理中較為常用且較為安全的為阿加曲班、來匹盧定和比伐盧定[27-29]。這三種藥物的代謝途徑、半衰期等各有所不同,見表2。因此,需要根據(jù)具體患者情況給予選擇,如表中所示,由于阿加曲班是由肝臟代謝,因此可以用于腎功能不全的患者,而其他兩種藥會在這類患者體內(nèi)蓄積。

表2 用于ECMO抗凝的直接凝血酶抑制劑

總之,在 ECMO輔助過程中,凝血激活的情況復(fù)雜多樣并與其他各系統(tǒng)之間交叉反應(yīng)、互相影響,在此過程中,仍有眾多機制不明,并且一些治療進展的效果也不十分確定,因此,進一步深入了解 ECMO過程中凝血激活的基礎(chǔ),改善抗凝管理的措施將對患者的血液保護及預(yù)后的改善起到至關(guān)重要的作用。

[1]Dalton HJ.Outcome following pediatric ECMO[A].In:Zwischenberger JB,Steinhorn RH,Bartlett RH,editors.ECMO:extracorporeal cardiopulmonary support in critical care[M].2nd ed.Ann Arbor,Mich'ELSO,2000.481-493.

[2]Watson JW,Brown DN,Lally KP,et al.Complications of extracorporealmembrane oxygenation in neonates[J].South Med J,1990,83(11):1262-1265.

[3]Havdart GE,Fackler CJ.Predictors of intracranial hemorrhage during neonatal extracorporealmembrane oxygenation[J].JPediatr,1999 134(2):156-159.

[4]Colman RW,Clowes AW.George JN.Overview of thrombosis[A].In:Colman RW,Marder VJ,Clowes AW,et a l.eds.Hemostasis and thrombosis[M].5th ed.Philadelphia:LippinincottWilliams＆Wilkins,2006.3-16

[5]Uniyal S,Brash JL.Patterns ofadsorption ofproteins from human plasma onto foreign surfaces[J].Thromb Haemost,1982,47(3):285-290.

[6]Ziats NP,Pankowsky DA,Tierney BP,et al.Adsorption of Hageman factor(factor XII)and other plasma proteins to biomedical polymers[J].J Lab Clin Med,1990,116(5):687-696.

[7]Horbett TA.Principles underlying the role of adsorbed plasma proteins in blood interactionswith foreign materials[J].Cardiovasc Pathol,1993,2(3S):137S-148S.

[8]Bowen FW,Edmunds Jr HL.Coagulation,anticoagulation and the interaction of blood and artificial surfaces[A].In:Zwischenberger JB,Steinhorn RH,Bartlett RH,editors.ECMO:extracorporeal cardiopulmonary support in critical care[M].2nd ed.Ann Arbor,Mich'ELSO,2000.67-96.

[9]Aird WC.Vascular bed-specific hemostasis:role of endothelium in sepsis pathogenesis[J].Crit Care Med,2001,29(7 Suppl):S28-34.

[10]Levi M,ten Cate H,van der Poll T.Endothelium:interface between coagulation and inflammation[J].Crit Care Med,2002,30(5 Suppl):S220-224.

[11]LeviM,Keller TT,van Gorp E,et al.Infection and inflammation and the coagulation system[J].Cardiovasc,Res,2003,60(1):26-39.

[12]Schroeder S,Borger N,W rigge H,et al.A tumor necrosis factor gene polymorphism influences the inflammatory response after cardiac operation[J].Ann Thorac Surg,2003,75(2):534-537.

[13]Slungard A,Fernandez JA,Griffin JH,et al.Platelet factor 4 enhances generation of activated protein C in vitro and in vivo[J].Blood,2003,102(1):146-151.

[14]Mackman N.The roleof the tissue factor-thrombin pathway in cardiac ischem ia-reperfusion injury[J].Semin Vasc Med,2003,3(2):193-198.

[15]Huber-Lang M,Sarma JV,Zetoune FS,et al.Generation of C 5a in the absence of C3:anew complement activation pathway[J].Nat Med,2006,12(6):682-687.

[16]Wojta J,Huber K,Valent P.New aspects in thrombotic research:complement induced switch in mast cells from a profibrinolytic to a prothrombotic phenotype[J].Pathophysiol Haemost Thromb,2004,33(5):438-441.

[17]柏淑穎,朱德明,王 偉.涂層技術(shù)在體外循環(huán)裝置中的應(yīng)用及意義[J].中國體外循環(huán)雜志,2009,7(2):124-128.

[18]RanucciM,BalduiniA,Ditta A,et al.A systematic review of biocompatible cardiopulmonary bypass circuits and c linical outcome[J].Ann Thorac Surg,2009,87(4):1311-1319.

[19]Jacobson J.Nitric oxide:platelet protectant properties during cardiopulmonary bypass/ECMO[J].J Extra Corpor Technol,2002,34(2):144-147.

[20]Annich GM,Meinhardt JP,Mowery KA,et al.Reduced platelet activation and thrombosis in extracorporeal circuits coated with nitric oxide release polymers[J].Crit Care Med,2000,28(4):915-920.

[21]DeWaele JJ,Van Cauwenberghe S,Hoste E,et al.The use of activated clotting time formonitoring heparin therapy in critically ill patients[J].Intensive Care Med,2003,29(2):325-328.

[22]Raymond PD,Ray MJ,Callen SN,et al.Heparin monitoring during cardiac surgery:Part 2.Calculating the overestimation of heparin by the activated clotting time[J].Perfusion,2003,18(5):277-281.

[23]Owings JT,Pollock ME,Gosselin RC,et al.Anticoagulation of children undergoing cardiopulmonary bypass is overestimated by current monitoring techniques[J].Arch Surg,2000,135(9):1042-1047.

[24]Rastan AJ,Lachmann N,Walther T,et al.Autopsy findings in patients on postcardiotomy extracorporealmembrane oxygenation(ECMO)[J].Int JArtif Organs,2006,29(12):1121-1131.

[25]Baird CW,Zurakowski D,Robinson B,et al.Anticoagulation and pediatric extracorporeal membrane oxygenation:impact of activated clotting time and heparin dose on survival[J].Ann Thorac Surg,2007,83(3):912-919.

[26]Young G,Yonekawa KE,Nakagawa P,et a l.Argatroban as an alternative to heparin in extracorporealmembrane oxygenation circuits[J].Perfusion,2004,19(5):283-288.

[27]Mejak B,Giacomuzzi C,Heller E,et al.A rgatroban usage for anticoagulation for ECMO on a post-cardiac patientwith heparin-induced thrombocytopenia[J].JExtra Corpor Technol,2004,36(2):178-181.

[28]Dager WE,Gosselin RC,Yoshikawa R,et al.Lepirudin in heparin-induced thrombocytopenia and extracorporeal membranousoxygenation[J].Ann Pharmacother,2004,38(4):598-601.

[29]Gosselin RC,King JH,Janatpour DA,et al.Comparing direct thrombin inhibitors using aPTT,ecarin c lotting times,and thrombin inhibitormanagement testing[J].Ann Pharmacother,2004,38(9):1383-1388.