體外循環(huán)搏動(dòng)灌注額外附加能量對(duì)血管內(nèi)皮功能影響的研究

郭 震，李 欣，徐凌峰，常 昕，李 健，徐志云

體外循環(huán)技術(shù)成功應(yīng)用于心臟手術(shù)已有半個(gè)多世紀(jì),隨著設(shè)備和技術(shù)的不斷發(fā)展,體外循環(huán)相關(guān)的并發(fā)癥發(fā)生率逐漸降低,并逐漸擴(kuò)展出心室輔助、體外膜肺氧合以及人工心臟等技術(shù)。然而,體外循環(huán)作為一種有創(chuàng)的生命支持技術(shù),相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥、凝血功能障礙、重要臟器的灌注不良、全身炎癥反應(yīng)等并發(fā)癥仍然是術(shù)后死亡率的重要影響因素［1］。這些并發(fā)癥的發(fā)生一定程度上與體外循環(huán)中最普遍采用的非生理平流灌注密切相關(guān)［2］。以往不少研究認(rèn)為搏動(dòng)比平流血流攜帶更多能量,這種血流動(dòng)能進(jìn)入體內(nèi)會(huì)改善灌注,減輕臟器功能障礙,但平流灌注憑借其安全便捷的優(yōu)勢(shì)仍然廣泛使用［3］。搏動(dòng)灌注有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)的缺乏和其額外附加血流能量發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的機(jī)制不明導(dǎo)致兩種灌注模式優(yōu)劣之爭(zhēng)持續(xù)存在［4］。在前期研究中,筆者對(duì)如何實(shí)現(xiàn)臨床有效搏動(dòng)灌注進(jìn)行了報(bào)告［5］。因此,本研究選用單純心臟二尖瓣手術(shù)的患者,研究搏動(dòng)灌注相較平流灌注產(chǎn)生的額外附加能量對(duì)血管內(nèi)皮功能的影響,試圖對(duì)搏動(dòng)灌注臨床效果做一評(píng)價(jià),并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行初步研究。

1 資料與方法

1.1 患者選擇 選取本院2017年1月至2017年7月因單純心臟二尖瓣病變行二尖瓣替換或成形手術(shù)的患者40例。隨機(jī)分為搏動(dòng)灌注(pulsatile perfusion,PP)和平流灌注(non-pulsatile perfuion,NP)兩組,隨機(jī)化分組方案由SAS統(tǒng)計(jì)軟件產(chǎn)生,采用“信封法”分組。如表1所示,兩組患者在年齡、身高、體重、體表面積方面均無(wú)顯著差異(P＞0.05)。排除標(biāo)準(zhǔn)為術(shù)前左室射血分?jǐn)?shù)(ejection fraction,EF)＜40%,年齡大于70歲,同期合并冠心病、房顫及肝腎功能不全、二次手術(shù)。

1.2 體外循環(huán)與搏動(dòng)血流的建立 根據(jù)前期研究結(jié)果,通過(guò)升主動(dòng)脈和上下腔靜脈分別插管建立體外循環(huán),利用4∶1含血停搏液進(jìn)行心肌保護(hù)。心臟完全停搏后按照分組情況進(jìn)行搏動(dòng)和平流灌注,流量為2.2～2.6 L/(m2·min)。搏動(dòng)灌注通過(guò)滾壓泵的變速運(yùn)動(dòng)形成搏動(dòng)血流。搏動(dòng)參數(shù)設(shè)置為:搏動(dòng)頻率75次/min,基礎(chǔ)流量30%；搏動(dòng)起始點(diǎn)30%,結(jié)束點(diǎn)70%(參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)前期研究［5］)。體外循環(huán)選用索林公司Stockert S5型人工心肺機(jī)(Sorin Group,Munich,Germany),美敦力公司AFFINITY膜式氧合器(Medtronic Inc.,Minneapolis,USA),管道微栓濾器均來(lái)自寧波菲拉爾公司。

表1 患者基本資料(n＝20)

1.3 額外附加能量大小計(jì)算 通過(guò)Transonic T402超聲流量?jī)x(Transonic Systems Inc.,Ithaca,New York 14850 USA)測(cè)定微栓后流量(f),Essure Monitoring Kit壓力感受器(Biosensors International Inc.,USA)測(cè)定微栓后壓力(p),將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)導(dǎo)入Power-Lab ML870(ADinstruments.,Bella Vista,NSW 2153,Australia)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并通過(guò)labchart(ADinstruments.,Bella Vista,NSW 2153,Australia)軟件按照下列公式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算能量等效壓(energy equivalent pressure,EEP.EEP＝∫fpdt/fdt,單位:mm Hg)和富裕血流動(dòng)力學(xué)能量［surplus hemodynamic energy,SHE.SHE＝1332×(EEP-MAP),單位:ergs/cm3］。在主動(dòng)脈阻斷即刻、阻斷10 min、20 min、30 min和開(kāi)放前五個(gè)時(shí)間點(diǎn)計(jì)算EEP和SHE。

1.4 內(nèi)皮因子和炎性因子測(cè)定 分別在麻醉誘導(dǎo)后(T1)、主動(dòng)脈阻斷后30 min(T2)、停機(jī)后30 min(T3)、術(shù)后6 h(T4)抽取動(dòng)脈血檢測(cè)內(nèi)皮素-1(Endothelin-1,ET-1)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、白介素(interleukin,IL)-6、IL-10和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)。抽取橈動(dòng)脈血5 ml,并在30 min內(nèi)6 000轉(zhuǎn)離心8 min分離血漿后-80℃冷藏,采用酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA法)測(cè)定內(nèi)皮素ET-1、IL-6、IL-10、TNF,Griess試劑法測(cè)定 NO。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。組間比較采用兩樣本t檢驗(yàn)。如果方差不齊,則采用秩和檢驗(yàn)。組內(nèi)比較采用重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)的方差分析。計(jì)數(shù)資料采用卡方檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

血流能量由血流速度和產(chǎn)生的壓力形成的流量壓力曲線下的面積計(jì)算而得,通過(guò)EEP和SHE兩個(gè)指標(biāo)定量測(cè)定。研究結(jié)果顯示,搏動(dòng)血流攜帶的能量明顯大于平流,微栓后PP組EEP和SHE顯著高于NP組1.51～1.60倍(P＜0.05)和2.02～2.14倍(P＜0.05),組內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)無(wú)顯著性差異(詳見(jiàn)表2),搏動(dòng)灌注提供了更多的總能量和二倍的額外附加能量。

主動(dòng)脈阻斷30 min和停機(jī)后30 min,PP組ET-1明顯高于NP組,術(shù)中各時(shí)段與術(shù)前無(wú)差異,術(shù)后6 h明顯增高,而NP組阻斷后30 min即開(kāi)始升高；與基礎(chǔ)值(T1)相比,PP和NP兩組NO在停機(jī)后30 min明顯升高,術(shù)后6 h基本回落至基礎(chǔ)值,組間無(wú)顯著差異；兩組TNF、IL-6和IL-10阻斷后較基礎(chǔ)值均明顯升高,TNF和IL-6組間無(wú)顯著性差異,IL-10從阻斷后30 min至術(shù)后6 h,PP組明顯低于NP組,內(nèi)皮因子和炎性因子結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表2 主動(dòng)脈阻斷期間不同時(shí)點(diǎn)兩組EEP和SHE比較結(jié)果(n＝20,±s)

表2 主動(dòng)脈阻斷期間不同時(shí)點(diǎn)兩組EEP和SHE比較結(jié)果(n＝20,±s)

項(xiàng)目 組別 阻斷即刻 阻斷后10 min 阻斷后20 min 阻斷后30 min 開(kāi)放前EEP(mm Hg) PP 組 223.9±32.8 227.2±37.2 231.8±31.1 224.7±36.9 236.9±35.4 NP 組 142.3±33.8 147.9±36.2 148.4±34.1 150.6±34.0 148.3±25.7 P值 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 SHE(ergs/cm3) PP 組 222 533±47 312 217 675±49 367 221 359±41 598 209 463±51 262 226 874±46 948 NP 組 107 394±42 019 107 681±45 089 103 471±46 618 106 774±46 616 105 866±36 022 P值 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

表3 各時(shí)點(diǎn)內(nèi)皮因子與炎性因子比較(n＝20,±s)

表3 各時(shí)點(diǎn)內(nèi)皮因子與炎性因子比較(n＝20,±s)

注：括號(hào)內(nèi)為各時(shí)間點(diǎn)與組內(nèi)T1比較的P值。

項(xiàng)目 組別 T1 T2 T3 T4 ET-1(pg/ml) PP 組 1.32±0.68 1.39±0.66(0.453) 1.42±0.64(0.383) 2.05±0.87(0.021)NP 組 1.32±0.46 1.81±0.74(0.023) 2.01±0.93(0.018) 2.39±0.94(0.021)P值 0.839 0.012 0.023 0.132 NO(μmol/L) PP 組 8.65±4.74 7.37±2.91(0.163) 17.19±6.9(0.015) 6.09±4.4(0.048)NP 組 6.53±4.58 6.7±4.47(0.387) 16.68±6.96(0.030) 5.68±3.47(0.039)P值 0.372 0.421 0.198 0.217 TNF-α(pg/ml) PP 組 4.21±1.01 4.95±1.06(0.021) 7.11±2.61(0.018) 5.1±4.4(0.088)NP 組 3.8±2.66 5.2±2.81(0.021) 7.02±4.59(0.012) 5.39±3.25(0.037)P值 0.481 0.376 0.821 0.765 IL-6(pg/ml) PP 組 19.75±9.27 17.96±2.91(0.433) 31.76±26.66(0.011) 46.06±34.48(0.003)NP 組 18.34±0.19 17.71±0.89(0.712) 31.25±15.37(0.009) 39.08±21.26(0.006)P值 0.594 0.892 0.782 0.386 IL-10(pg/ml) PP 組 3.59±2.25 16.42±11.96(0.003) 242.47±231.05(0.000) 21.27±13.83(0.012)NP 組 3.74±2.53 25.6±16.58(0.033) 533.86±415.01(0.000) 40.65±38.55(0.028)P值 0.646 0.023 0.017 0.038

3 討 論

體外循環(huán)中由于全身炎癥反應(yīng)、臟器缺血再灌注損傷、微循環(huán)障礙等原因不可避免的會(huì)繼發(fā)術(shù)后各種并發(fā)癥,這一定程度上與平流灌注這種非生理的灌注模式有關(guān)。以往的研究認(rèn)為,搏動(dòng)血流攜帶更多的能量,這些額外附加能量可能通過(guò)改善微循環(huán)、增加臟器血供來(lái)改善臟器灌注,但其中機(jī)理并不明確［4］。本研究在確認(rèn)搏動(dòng)血流額外附加能量的基礎(chǔ)上,分析了血流能量對(duì)內(nèi)皮功能、炎癥反應(yīng)的影響。

血管內(nèi)皮對(duì)調(diào)節(jié)血管正常的舒縮活性有重要的生理意義,在一定病理?xiàng)l件下,內(nèi)皮源性收縮與舒張因子的量和活性發(fā)生變化,引起血管舒縮功能失調(diào),是引起機(jī)體微循環(huán)功能障礙的機(jī)制之一。ET和NO是最具代表性且相互拮抗的兩種物質(zhì)［6］。ET是從內(nèi)皮細(xì)胞分泌的最主要且最長(zhǎng)效的內(nèi)皮收縮因子,廣泛分布于神經(jīng)、內(nèi)分泌和循環(huán)系統(tǒng),具有強(qiáng)烈的血管收縮作用,也是目前所知唯一能夠作用于小于50 nm毛細(xì)血管的縮血管物質(zhì)［7］。ET-1在細(xì)胞因子、缺血、缺氧等應(yīng)激因素的刺激下迅速合成并分泌入血液,使血管收縮引起外周阻力升高,進(jìn)一步加重缺氧、內(nèi)皮細(xì)胞損傷、微循環(huán)功能障礙。因此,ET-1含量既反映內(nèi)皮功能狀態(tài),也間接反映了微循環(huán)障礙的程度［8-9］。文獻(xiàn)報(bào)道,體外循環(huán)非搏動(dòng)灌注患者術(shù)中血漿ET-1含量持續(xù)升高,體外循環(huán)結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值,與術(shù)前或健康者血漿ET-1水平差別非常顯著,提示非生理性血流和組織缺血再灌注可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞的損傷,而高水平ET-1可能參與繼發(fā)性肺動(dòng)脈高壓、血流動(dòng)力學(xué)紊亂和凝血功能障礙［10-11］。Akira等研究表明,體外循環(huán)術(shù)中ET-1含量組間差異不明顯,但術(shù)后3 h、6 h、9 h和18 h搏動(dòng)灌注組的ET-1含量顯著低于非搏動(dòng)灌注組,提示搏動(dòng)灌注對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞損傷較?。?2］。本研究結(jié)果表明,非搏動(dòng)灌注組ET-1含量在T2～T4各時(shí)點(diǎn)均高于T1,呈持續(xù)升高趨勢(shì),且在T2和T3明顯高于搏動(dòng)灌注,提示與搏動(dòng)灌注組相比,非搏動(dòng)灌注可能致使臟器灌注不良,處于缺血、缺氧或應(yīng)激狀態(tài),可能引起血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷、外周阻力升高和微循環(huán)功能障礙。而搏動(dòng)灌注組在術(shù)后6 h增高,這種延遲變化現(xiàn)象筆者尚無(wú)法解釋,有待進(jìn)一步探討。

NO是一種主要由內(nèi)皮細(xì)胞生成,獨(dú)立存在于血管、心肌和心內(nèi)膜等部位的內(nèi)源性血管舒張因子,可舒張血管平滑肌,擴(kuò)張微血管,降低血管通透性,增加血流量,對(duì)微循環(huán)有一定保護(hù)作用。但同時(shí)又具有介導(dǎo)臟器、組織損傷的細(xì)胞毒性作用［13-14］。體外循環(huán)期間高血流沖擊、炎癥反應(yīng)、再灌注損傷等均可導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞不可避免的受損。體外循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)、復(fù)溫過(guò)高,炎性因子和內(nèi)毒素釋放等均可引起誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)表達(dá),使NO釋放增加［15］。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩組灌注模式在體外循環(huán)停機(jī)后30 min NO含量均迅速升高,術(shù)后6 h降至術(shù)前水平。這可能是機(jī)體對(duì)炎癥反應(yīng)的應(yīng)激,體外循環(huán)期間機(jī)體產(chǎn)生大量的TNF、IL等炎性介質(zhì)誘導(dǎo)iNOS表達(dá),NO的合成和釋放增加。

體外循環(huán)過(guò)程中異物表面接觸、缺血再灌注損傷、內(nèi)毒素釋放等因素會(huì)促使炎性介質(zhì)釋放,最終引發(fā)全身炎癥反應(yīng)綜合征,導(dǎo)致臟器功能紊亂、凝血障礙等并發(fā)癥［1,16］。 TNF-α 是單核/巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等激活釋放的細(xì)胞因子,在炎癥反應(yīng)中起核心作用,是體外循環(huán)炎癥反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)最早,最重要的內(nèi)源性介質(zhì)之一［17-18］。可損傷內(nèi)皮細(xì)胞,促進(jìn)黏附分子表達(dá),刺激其他細(xì)胞因子合成,抑制心肌細(xì)胞,增強(qiáng)炎癥反應(yīng),導(dǎo)致臟器損傷［19］。IL-6是活化的T細(xì)胞和成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的淋巴因子,也是急性反應(yīng)期反應(yīng)蛋白合成和炎性細(xì)胞積聚的主要因素,可整合早期炎癥反應(yīng)信號(hào),促進(jìn)炎性因子進(jìn)一步釋放,是反映組織細(xì)胞損傷的早期敏感指標(biāo)［20］。IL-10是多細(xì)胞源、多功能的細(xì)胞因子,調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)與分化,參與炎性反應(yīng)和免疫反應(yīng),是目前公認(rèn)的炎性與免疫抑制因子［21］。體外循環(huán)中組織缺血、缺氧時(shí),IL-10產(chǎn)生也隨之增多,合成晚于致炎因子,具有抑制炎癥反應(yīng)的作用［22］。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,兩組TNF-α術(shù)中均明顯升高,術(shù)后6 h回落,PP組回落明顯,提示搏動(dòng)灌注可能更有利于降低術(shù)后全身炎癥反應(yīng)。兩組IL-6和IL-10含量在T2～T4時(shí)間點(diǎn)持續(xù)升高,提示兩種灌注模式均會(huì)激活細(xì)胞防御系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

體外循環(huán)繼發(fā)的炎癥反應(yīng)不可避免,與平流灌注相比,采用搏動(dòng)灌注血流模式可攜帶更多的額外附加能量,在一定程度上抑制炎癥反應(yīng),調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能,改善微循環(huán)和臟器灌注,其中的機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。

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