無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用

李桂香，黃德群，唐元梁，陳軍，劉凱，伊翔，吳新社

廣東省醫(yī)療器械研究所/國家醫(yī)療保健器具工程技術(shù)研究中心 廣東省醫(yī)用電子儀器與高分子材料制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510500

引言

血管內(nèi)皮細(xì)胞是一層連續(xù)覆蓋在血管腔表面的扁平單層鱗狀細(xì)胞，它不僅是血管的滲透屏障，而且是人體最大的內(nèi)分泌、旁分泌器官，分泌幾十種血管活性物質(zhì)，還是許多活性物質(zhì)的靶器官。血管內(nèi)皮細(xì)胞在調(diào)節(jié)血管舒張狀態(tài)、維持凝血和纖溶系統(tǒng)平衡、抑制血小板聚集、抑制炎癥細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞間的黏附以及調(diào)控血管平滑肌生長等方面有重要的生理功能，正常的血管內(nèi)皮功能是維持心血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基本條件。內(nèi)皮功能障礙與諸多疾病存在著密切聯(lián)系，包括糖尿病、高血壓、中風(fēng)等，且多發(fā)生于心血管事件的早期、可治療階段。內(nèi)皮結(jié)構(gòu)和功能損傷均是動脈粥樣硬化斑塊形成的重要原因，也是血管病變最早的標(biāo)志，當(dāng)管壁還未見明顯的結(jié)構(gòu)變化時(shí)，內(nèi)皮功能已經(jīng)出現(xiàn)了障礙，并且參與損傷的進(jìn)展及隨后的臨床并發(fā)癥，與心血管疾病關(guān)系密切。若在內(nèi)皮損傷階段，未出現(xiàn)動脈粥樣硬化斑塊或動脈粥樣硬化斑塊形成早期，進(jìn)行血管內(nèi)皮功能病變檢測早期篩選高危人群，可避免血管管壁進(jìn)一步出現(xiàn)內(nèi)膜增厚、彈性下降、斑塊形成等病變，當(dāng)發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮功能障礙時(shí)，進(jìn)行及時(shí)干預(yù)和指導(dǎo)治療，可以逆轉(zhuǎn)內(nèi)皮功能損害，對維護(hù)心血管健康、降低心血管疾病的發(fā)病率和死亡率以及醫(yī)療成本具有重要意義。目前血管內(nèi)皮功能檢測方法主要有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種方式。無創(chuàng)方法具有少/無創(chuàng)傷、檢查費(fèi)用相對低且操作簡單、重復(fù)性好、適用人群廣、更易被接受等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在臨床應(yīng)用，但實(shí)現(xiàn)廣泛推廣存在局限。新型無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能評價(jià)方法成為血管內(nèi)皮功能診斷研究的熱點(diǎn)。本文通過分析和總結(jié)無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能診斷方法研究與應(yīng)用相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)，對無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)行綜述，以促進(jìn)國民對血管內(nèi)皮功能診斷的重視，實(shí)現(xiàn)心血管類疾病的早預(yù)防、早診斷、早治療，減少心血管疾病事件發(fā)生或減緩發(fā)生進(jìn)程，提升人們健康水平和生活質(zhì)量。

1 無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 應(yīng)用需求

血管內(nèi)皮是一個(gè)具有高度活性的代謝和分泌器官，既是感應(yīng)細(xì)胞又是效應(yīng)細(xì)胞，能感知血液中的炎性信號、激素水平、切應(yīng)力等信息，同時(shí)釋放活性物質(zhì)對這些信息作出反應(yīng)，具有參與血管形成、調(diào)節(jié)血管張力、抗凝促纖溶、參與炎癥反應(yīng)等功能。內(nèi)皮功能障礙主要受血管舒張因子減少、血管收縮因子增加、炎癥因子等影響[1-2]。內(nèi)皮源性舒張因子和收縮因子之間存在平衡，但這種平衡狀態(tài)偏離時(shí)就被認(rèn)為內(nèi)皮功能障礙[3]。血管舒張因子包括一氧化碳（Nitric Oxide，NO）、內(nèi)皮源性超級化因子（Endothelial-Derived Hyperpolarisation Factors，EDHF），前列環(huán)素等，其中最主要的是NO，它主要由內(nèi)皮細(xì)胞受剪切應(yīng)力作用而釋放。在動脈粥樣硬化早期，當(dāng)NO生物活性明顯減低時(shí)，內(nèi)皮功能可由前列環(huán)素和EDHF上調(diào)代償調(diào)節(jié)[4-6]。同時(shí)，在剪切應(yīng)力、血管緊張素II、腎上腺素、凝血酶、氧化型低密度脂蛋白等調(diào)控下，血管收縮因子如內(nèi)皮素1、血栓素A2也相應(yīng)增加[7]。血管內(nèi)皮正常時(shí)釋放內(nèi)皮依賴舒張因子及血管收縮因子，舒張因子占優(yōu)勢；但血管內(nèi)皮受損時(shí)，血管收縮因子占優(yōu)勢，造成血管功能受損，炎癥因子增加使低密度脂蛋白轉(zhuǎn)化為氧化型低密度脂蛋白，從而損傷內(nèi)皮細(xì)胞，影響內(nèi)皮功能[8-9]。隨著臨床研究的深入，醫(yī)學(xué)界已逐漸意識到血管壁病變及其發(fā)生發(fā)展所致的管腔病變才是心肌梗死、中風(fēng)等各種心血管并發(fā)癥的基礎(chǔ)[10-13]。另外，近年研究表明血管內(nèi)皮生長因子在血管生成刺激的多步驟中起重要作用，與包括胃癌在內(nèi)癌癥的發(fā)展密切相關(guān)，內(nèi)皮功能障礙已被證實(shí)是心血管事件的獨(dú)立風(fēng)險(xiǎn)因素[14]。逆轉(zhuǎn)血管內(nèi)皮功能障礙已成為心血管病領(lǐng)域的新研究方向，醫(yī)學(xué)界一直致力于發(fā)明一種能早期診斷血管內(nèi)皮功能病變的方法，使血管內(nèi)皮功能診斷成為一項(xiàng)常規(guī)檢查項(xiàng)目[15-16]。

1.2 無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測技術(shù)的研究進(jìn)展

目前，評價(jià)血管功能的常用的檢測手段主要包括侵入式和非侵入式檢測兩大類。侵入性檢測需要將乙酰膽堿注入人體冠脈，但因其對人體有創(chuàng)、耗時(shí)長、費(fèi)用高，不建議健康或無癥狀患者使用，所以在臨床應(yīng)用上受到極大限制。非侵入式內(nèi)皮功能檢測方法最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，隨著基礎(chǔ)和臨床研究的不斷發(fā)展，醫(yī)療行業(yè)對心血管疾病中檢查內(nèi)皮功能的重視程度越來越高，無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測因其少或無創(chuàng)傷、檢查費(fèi)用相對低且操作簡單、重復(fù)性好、適用人群廣、更易被接受等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)[17]。在2018年第二十九屆長城國際心臟病學(xué)會議上特別設(shè)立了“無創(chuàng)血管功能診斷”的專場會議。血管內(nèi)皮功能無創(chuàng)檢測技術(shù)的研究發(fā)展迅速。

在臨床應(yīng)用上，評價(jià)內(nèi)皮功能的無創(chuàng)檢測方法主要包括基于血流介導(dǎo)的血管擴(kuò)張（Flow Mediated Dilation，F(xiàn)MD）技術(shù)、外周動脈張力（Peripheral Artery Tonometry，PAT）、光學(xué)體積描記法和無創(chuàng)生化檢測等4大方法。其中，血流介導(dǎo)的血管擴(kuò)張F(tuán)DM技術(shù)是評價(jià)和衡量內(nèi)皮功能的“金指標(biāo)”[18-20]； PAT可以預(yù)測人群中心血管事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，其安全性及重復(fù)性較好，近年來在美國冠心病患者的血管內(nèi)皮功能檢測中廣泛應(yīng)用，逐漸被證明可以在門診或社區(qū)對心血管高危人群進(jìn)行篩查[21]；光學(xué)體積描記法能平行反映年齡對動脈老化的影響，與PWV相關(guān)性很好，可能會成為心血管事件的獨(dú)立預(yù)測因子[22-24]；無創(chuàng)生化檢測方法常用于評價(jià)血管內(nèi)皮功能的新方法和研發(fā)的無創(chuàng)血管功能診斷設(shè)備的效用，臨床應(yīng)用中主要包括微量白蛋白尿化驗(yàn)和循環(huán)生物標(biāo)記物檢測。

雖然FDM、PAT、光學(xué)體積描記法和無創(chuàng)生化檢測等在實(shí)際臨床應(yīng)用上成為替代有創(chuàng)檢測的重要方法，但是廣泛推廣到日常血管內(nèi)皮功能篩查和臨床應(yīng)用受到檢測設(shè)備價(jià)格高昂、彩超探頭易故障、從業(yè)者需要訓(xùn)練有素、完成評估的時(shí)間長等局限[25]。無創(chuàng)生化檢測方法中微量白蛋白尿檢測雖然可以非常準(zhǔn)確的判斷血管功能，但它更多的是反映內(nèi)皮結(jié)構(gòu)損傷情況，而且化驗(yàn)檢查樣本采集有一定難度，影響檢測的準(zhǔn)確性；循環(huán)生物標(biāo)記物ADMA、CRP、內(nèi)皮素、凝血有關(guān)血友病因子、T-PA和PA1-1、可溶性細(xì)胞黏附分子等都可在某一方面預(yù)測心血管疾病事件的發(fā)生，但是檢測樣本量大、分析過程繁瑣[26]。

為了突破上述檢測方法存在的局限，研究學(xué)者基于前人的研究和高新技術(shù)的發(fā)展，開展了一系列新概念/檢測方法研究，并基于新的理念創(chuàng)新研制新型的無創(chuàng)血管功能檢測設(shè)備。主要包括磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、 正 電 子 發(fā) 射 掃 描（Positron Emission Tomography，PET）、聚合物傳感器、指尖熱（Digital Thermal Monitoring，DTM）、局部溫度刺激誘導(dǎo)反應(yīng)性充血理念與傅里葉/小波分析方法相結(jié)合等技術(shù)相應(yīng)的設(shè)備；基于血管內(nèi)皮調(diào)節(jié)與動脈彈性的關(guān)系，血管內(nèi)皮功能受損導(dǎo)致動脈壁結(jié)構(gòu)和功能的變化是引起動脈彈性下降的主要原因，還研究了輔助評價(jià)血管內(nèi)皮功能的方法，包括檢測脈沖波速（Pulse Wave Velocity，PWV）、心踝血管指數(shù)（Cardio-ankle Vascular Index，CAVI）、增強(qiáng)指數(shù)等[27-28]。其中，MRI和PET近年被發(fā)展起來并逐步應(yīng)用于心血管系統(tǒng)的檢查，常用于檢測心肌活性功能，還可以與冷加壓實(shí)驗(yàn)聯(lián)合定量檢測冠狀動脈的血流量，評價(jià)血管舒張功能。但因設(shè)備價(jià)格昂貴、技術(shù)條件要求高，目前未能廣泛應(yīng)用；可穿戴技術(shù)和新材料的興起，聚合物傳感器的應(yīng)用顯示出一定的診斷潛力。將商業(yè)上可用的導(dǎo)電橡膠繩索拉伸傳感器ERB（炭黑浸漬橡膠傳感器）嵌入到一塊可拉伸織物中，實(shí)現(xiàn)外周血流量可視化。研究發(fā)現(xiàn)，靜止時(shí)電阻固定，拉伸時(shí)阻抗增大。當(dāng)戴在小腿周圍時(shí)可以監(jiān)測腿部體積的變化，這種新型HeMo血流動力學(xué)監(jiān)測儀對體位沒有特別要求?？纱┐骷夹g(shù)和基于聚合物的傳感器的進(jìn)步可能是滿足臨床醫(yī)生對理想系統(tǒng)需求的最有競爭力的候選者，可以在功能活動和鍛煉期間提供持續(xù)監(jiān)測，還可能增加診斷功能?；趐oly-mer技術(shù)的發(fā)展，因其存在低成本、低專業(yè)使用要求以及能夠提供關(guān)于周圍動脈和靜脈的相對即時(shí)信息的優(yōu)點(diǎn)，新型血流動力學(xué)檢測儀具有提供早期診斷的前景[29]。

隨著21世紀(jì)大健康理念的產(chǎn)生及老齡化社會的步入，便攜移動家用健康監(jiān)測興起。美國研究學(xué)者提出了DTM技術(shù)，通過連續(xù)測量阻斷肱動脈血流前后指尖溫度的變化來反映反應(yīng)性充血的血流量變化評價(jià)外周動脈內(nèi)皮功能，原理同PAT相似，血流量改變引起的指尖溫度改變可以反映血管擴(kuò)張程度，用以評價(jià)血管內(nèi)皮功能。研制的設(shè)備在檢測時(shí)采取兩個(gè)指尖對比測定消除系統(tǒng)誤差及自身影響，通過與冠脈造影及多排CT及核素心肌灌注顯像等對比研究發(fā)現(xiàn)，DTM與冠心病的多項(xiàng)危險(xiǎn)因素有相關(guān)性并可以評價(jià)治療情況，但仍需要前瞻性的研究和臨床數(shù)據(jù)以明確DTM測定的內(nèi)皮功能不全在心血管事件上的預(yù)測及指導(dǎo)價(jià)值。

近年來，研究學(xué)者研究血管內(nèi)皮功能調(diào)節(jié)基礎(chǔ)、探索調(diào)節(jié)機(jī)制突破發(fā)現(xiàn)人體血流脈動與如下的周期性調(diào)節(jié)活動有關(guān)：內(nèi)皮調(diào)節(jié)（50～105 s），神經(jīng)調(diào)節(jié)（20～50 s），肌源性調(diào)節(jié)（7～20 s），呼吸活動（2～7 s）以及心跳活動（0.5～2 s）。血流振蕩的頻率特征約為0.01 Hz，與內(nèi)皮細(xì)胞活性有關(guān)，特別是NO的合成活性?？梢詫⒉杉降难餍盘栔袑⒉▌又芷谠?0～105 s范圍內(nèi)的子信號提取出來，最大限度地反映單純內(nèi)皮源性血管舒張調(diào)節(jié)功能、減少其它調(diào)節(jié)活動和噪聲的干擾?；贒TM技術(shù)和血管內(nèi)皮功能的調(diào)節(jié)機(jī)制，研究學(xué)者創(chuàng)新開展了通過微血管局部刺激和小波分析來研究血管內(nèi)皮功能調(diào)節(jié)的主要調(diào)節(jié)因子，將局部溫度刺激誘導(dǎo)反應(yīng)性充血理念與傅里葉/小波分析方法相結(jié)合，利用小波分析對激光多普勒血流儀測量的LDF信號可變成分進(jìn)行頻譜分析，評估血管張力的狀態(tài)以及微血管系統(tǒng)中負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)血流機(jī)制的因子，開展了一些內(nèi)皮功能熱檢測的臨床測試研究，在糖尿病和風(fēng)濕病患者的微血管內(nèi)皮功能障礙診斷上初步驗(yàn)證了該方法的可行性。但激光多普勒測流技術(shù)具有一定的局限性，限制了其應(yīng)用。基于熱信號時(shí)頻分析技術(shù)的內(nèi)皮功能檢測理念在最近幾年提出，雖然該技術(shù)在產(chǎn)品化方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但基于局部溫度刺激誘導(dǎo)反應(yīng)性充血測試則可最大限度地反映單純內(nèi)皮源性血管舒張調(diào)節(jié)功能，有望成為廣泛推廣應(yīng)用的新型無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測方法[30]。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，基于束臂缺血誘導(dǎo)反應(yīng)性充血理念的無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測方法已逐漸得到了業(yè)界的認(rèn)可，基于該理念研制的無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測設(shè)備已應(yīng)用于心血管疾病、糖尿病、腎病、男科疾病等多個(gè)領(lǐng)域。其中，基于加壓阻斷肱動脈，觀察反應(yīng)性充血前后的血管內(nèi)徑變化理念的內(nèi)皮功能診斷儀器占據(jù)市場主導(dǎo)地位。但臨床應(yīng)用的設(shè)備都來自國外，典型的產(chǎn)品包括歐姆龍的UNEX EF 38G、BP-203RPE III，Itamar Medical公司的ENDOPAT以及ENDOTHELIX公司的VENDYS。其中，UNEX EF 38G是利用超聲探頭來檢測反應(yīng)性充血前后肱動脈內(nèi)徑的變化來反映內(nèi)皮功能，ENDOPAT是利用PAT技術(shù)，以上設(shè)備已通過了美國FDA、中國CFDA、歐洲CE、日本SHONIN的認(rèn)證，并被超過60個(gè)國家的權(quán)威臨床機(jī)構(gòu)和研究中心所使用；VENDYS是利用DTM技術(shù)。UNEX EF 38G和ENDOPAT已進(jìn)行國內(nèi)市場，應(yīng)用于臨床或科研。微血管功能檢測儀器——俄羅斯FM Diagnostics公司研發(fā)的Microtest儀器，從理論上來說更能準(zhǔn)確評價(jià)血管內(nèi)皮功能，但目前尚處于臨床測試階段，國內(nèi)還尚未見有同類設(shè)備研究成型。

上述臨床應(yīng)用的設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)廣泛的日常篩查和早期血管內(nèi)皮功能診斷。主要局限除了設(shè)備昂貴、需要專業(yè)人員維護(hù)外，還因其檢測成本高、時(shí)間長容易使人身體產(chǎn)生不適以及評估結(jié)果受多種因素影響，具有不確定性[31]限制了這類設(shè)備的發(fā)展。另外，血管內(nèi)皮功能早期篩查、診斷及康復(fù)訓(xùn)練對于減低心血管事件、癌癥的發(fā)生發(fā)展具有重要意義，實(shí)現(xiàn)大健康，迫切需要一種能廣泛推廣應(yīng)用的便攜式家用或穿戴式內(nèi)皮血管功能診斷方法及設(shè)備。

3 總結(jié)和展望

血管內(nèi)皮細(xì)胞對維持正常的心血管功能起著重要作用，在各類心血管疾病及其相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要角色。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮功能障礙不僅與心血管疾病息息相關(guān)，還與股骨頭壞死、妊娠高血壓綜合癥、癌癥等發(fā)生有關(guān)。血管內(nèi)皮功能具有可逆性，改善血管內(nèi)皮功能的措施包括以下幾類：① 干預(yù)措施，如藥物治療降壓藥腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制劑、他汀類藥物；② 補(bǔ)充治療，如注射L-精氨酸、雌激素替代等；③ 生活方式改變?nèi)缬醒踹\(yùn)動、限制鈉的攝入、減輕體質(zhì)量等。研究一種適合廣泛推廣的低成本無創(chuàng)血管內(nèi)皮診斷方法和設(shè)備在廣大人群中開展血管內(nèi)皮功能檢查，篩查冠心病高危人群，實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)、早治療，逆轉(zhuǎn)病理過程，為心血管疾病的診斷、治療提供新思路，對防止或延緩冠心病及并發(fā)癥發(fā)生具有重要意義。

目前，基于束臂缺血誘導(dǎo)反應(yīng)性充血理念的無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能檢測方法和研制的無創(chuàng)內(nèi)皮功能診斷儀已逐漸應(yīng)用于臨床。內(nèi)皮功能活性相關(guān)的循環(huán)生物標(biāo)記物檢測也進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室輔助評價(jià)心血管事件。但這些方法對血管內(nèi)皮功能變化、影響因素以及作用方式等缺乏系統(tǒng)闡述，加上設(shè)備昂貴，需要專業(yè)人員，血管疾病早期預(yù)防普及篩查還有一定難度。實(shí)際上血管內(nèi)皮功能調(diào)節(jié)過程有5個(gè)調(diào)節(jié)活動參與，而束臂方式會造成缺血引起肱動脈代謝異常，代謝產(chǎn)物（前列腺素、腺苷、肌漿蛋白等）會隨血流到達(dá)下游微血管處參與管徑調(diào)節(jié)，內(nèi)皮源性血管舒張只在充血反應(yīng)中起到了部分作用，完全歸結(jié)于血管內(nèi)皮調(diào)節(jié)活動的影響而忽略其它調(diào)節(jié)因素獲得的評估結(jié)果準(zhǔn)確性有一定偏頗。隨著臨床對內(nèi)皮功能、各種疾病的發(fā)病機(jī)制和變化影響因素揭示、醫(yī)電和生化設(shè)備的研究進(jìn)步以及臨床數(shù)據(jù)的完善，便攜式、穿戴式技術(shù)迅速發(fā)展。有研究學(xué)者為解決當(dāng)前血管內(nèi)皮功能診斷技術(shù)的缺陷和廣泛推廣應(yīng)用的局限性，提出不使用束臂方式而利用誘導(dǎo)反應(yīng)性充血原理，對微小末梢血管進(jìn)行誘導(dǎo)冷/熱刺激，基于誘導(dǎo)前后微小末梢血管的溫度變化和信號時(shí)頻分析提取內(nèi)皮調(diào)節(jié)子信號，得到單純內(nèi)皮源性血管舒張調(diào)節(jié)功能，減少其它調(diào)節(jié)活動和噪聲干擾，更直觀準(zhǔn)確反映血管內(nèi)皮功能的新理念。預(yù)期不久，將會迎來無創(chuàng)血管內(nèi)皮功能診斷新方法和便攜、可穿戴的設(shè)備的廣泛推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)內(nèi)皮功能障礙的早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)、早治療，在心血管疾病及其它疾病方面篩查診斷治療中發(fā)揮重要作用，降低心血管事件或其它疾病的發(fā)生，提高人民生活質(zhì)量和水平。