體外循環(huán)中設(shè)備對全身炎癥反應(yīng)的影響

朱悅倩， 楊 菁， 姚 昊

(南京醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院心血管中心， 江蘇 南京 210011)

心臟外科的發(fā)展依賴于體外循環(huán)技術(shù)(Cardiopulmonary bypass，CPB)的發(fā)展。而CPB過程打破了人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，引起神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)失調(diào)，進(jìn)而產(chǎn)生全身炎癥反應(yīng)，是術(shù)后并發(fā)癥的主要因素。CPB產(chǎn)生炎癥反應(yīng)的病理生理機制有多種因素構(gòu)成。一般認(rèn)為分為兩個主要階段。第一階段是血液與非內(nèi)皮表面接觸，造成細(xì)胞破壞，引起細(xì)胞釋放生物活性物質(zhì)，如細(xì)胞因子、補體等，激活內(nèi)源性、外源性凝血途徑，從而激活纖溶系統(tǒng)，引起炎癥反應(yīng)，消耗血液成分。第二階段主要是由手術(shù)方式造成機體的體溫波動、血液制品輸注、血液稀釋和破壞等，引起機體的缺血再灌注損傷和內(nèi)毒素血癥。當(dāng)然，除了主要的白細(xì)胞活化的機制，線粒體DNA的升高也是CPB炎癥產(chǎn)生的重要因素。

從血液開始接觸非血管材料開始，補體活化途徑開始啟動，隨后開始出現(xiàn)白細(xì)胞活化，內(nèi)皮細(xì)胞炎癥破壞等過程。血小板活化的誘因主要是肝素、與非生物性材料接觸和低溫?；罨难“遽尫蓬w粒因子(血小板因子4、β-血小板球蛋白、血栓素B)，失去了正常的凝血功能，引起術(shù)后凝血功能障礙。由于管道設(shè)備等表面缺少內(nèi)皮細(xì)胞，因此C3介導(dǎo)的經(jīng)典途徑激活，繼而產(chǎn)生C3a、C5a等片段，導(dǎo)致血管通透性增加，白細(xì)胞活化等。正常生理情況下，細(xì)胞因子是免疫系統(tǒng)和防御機制的重要調(diào)節(jié)者，但在體外循環(huán)過程中，它們增加了炎癥反應(yīng)的嚴(yán)重程度。巨噬細(xì)胞和白細(xì)胞釋放促炎因子，包括腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白介素6(IL-6)、IL-1、IL-2和IL-8。體外循環(huán)后的患者血液中存在內(nèi)毒素，主要來源于外源性和內(nèi)源性革蘭氏陰性菌。內(nèi)毒素、促炎因子和TNF-α可以激活誘導(dǎo)型一氧化氮酶(iNOS)，釋放大量自由基一氧化氮(NO)。一氧化氮酶(NOS)包括三種形式:神經(jīng)元型、內(nèi)皮細(xì)胞型和誘導(dǎo)型[1]。神經(jīng)元型NOS主要使NO作為神經(jīng)元間的信號分子；內(nèi)皮細(xì)胞型NOS存在于血管內(nèi)，產(chǎn)生NO引起血管擴張；誘導(dǎo)型NOS見于免疫細(xì)胞中，與血管通透性增加和血小板聚集減少有關(guān)。IL-6和NO的出現(xiàn)可能誘導(dǎo)心肌頓抑。炎性介質(zhì)如TNF-α可誘導(dǎo)以DNA斷裂為特征的細(xì)胞凋亡。目前認(rèn)為保持促炎和抗炎因子(IL-10)之間的平衡對控制全身癥反應(yīng)的嚴(yán)重程度有重要作用。

為了改善患者預(yù)后，減少CPB期間的炎癥反應(yīng)是大家主要研究的重點。研究結(jié)果主要集中在藥物、技術(shù)等方面，右美托咪定通過激活中樞α2受體，降低交感活性，下調(diào)應(yīng)激血糖，從而減少炎癥反應(yīng)[2]；烏司他丁作為一種廣譜胰蛋白酶抑制劑，能穩(wěn)定溶酶體膜，減少溶酶體濃度[3]；瑞芬太尼降低體內(nèi)血管性假血友病因子和可溶性血栓調(diào)節(jié)素水平，減少炎癥因子表達(dá)，保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞[4]。其實在血管內(nèi)皮細(xì)胞表面存在內(nèi)皮細(xì)胞多糖蛋白復(fù)合物層(EGL)，這是一種一層帶有負(fù)電荷的類似凝膠的覆被，由糖蛋白、蛋白多糖和糖胺聚糖組成，避免了內(nèi)皮細(xì)胞與血細(xì)胞的直接接觸。而CPB中的微栓通過損傷EGL造成毛細(xì)血管壁損害，甚至引起血腦屏障紊亂。以CD133+或其分化細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療對CPB術(shù)后急性腎功能損傷有一定作用[5]，其中CD133+細(xì)胞具有促進(jìn)血管生成，介導(dǎo)組織再生和調(diào)節(jié)炎癥等功能。動物模型表明，CPB回路中血-氣平面也是引起血細(xì)胞活化，產(chǎn)生大量炎癥因子的原因，因此，提示要減少血-氣平面積。在CPB耗材方面，也不斷進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)造，越來越多的材料和設(shè)備運用于CPB中以減少炎癥反應(yīng)。

1 體外循環(huán)管道

CPB中血液與非生物性材料接觸是引起炎性反應(yīng)的主要原因之一。因此，提高管道材料的生物相容性能很大程度地降低血液的機械破壞。生物相容性最高的為血管內(nèi)皮細(xì)胞，微血管內(nèi)皮細(xì)胞表面存在肝素樣分子受體。目前常用的CPB管道均為肝素涂層管道，在血液通過管道時，能形成血液相容的淺層，減少血細(xì)胞、血漿蛋白等與管道的接觸，減輕炎癥反應(yīng)的發(fā)生。肝素管道表面肝素分子的結(jié)合方式主要有離子型、共價型和物理結(jié)合三種，在長期使用時，尤其是離子型結(jié)合方式，肝素涂層會洗脫進(jìn)入血液，具有一定危險性。此外，肝素對凝血系統(tǒng)的影響較大，引起出血和肝素相關(guān)性血小板減少，因此人們開始尋找新材料。

聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯(PMEA)是一種在發(fā)展中的人工膜涂層材料。它是一種多聚體鏈，分子外側(cè)無生物活性，保留了蛋白質(zhì)分子周圍的水化結(jié)構(gòu)，很難與血液成分相互作用，是目前抗凝血材料的熱點，改善人工器官的生物相容性。聚丙烯酸-2-甲氧基乙酯涂層的體外循環(huán)管道與肝素涂層相比，在長時間的體外循環(huán)過程中可減少血小板輸注。PMEA涂層CPB可以改善心臟手術(shù)后的呼吸功能，減少全身炎癥反應(yīng)，說明PMEA為一種不輸于肝素涂層的材料。目前新的材料很多，如Phisio(磷酰膽堿)涂層、Bioline-涂層(白蛋白-肝素)、Softline-涂層(無肝素，合成聚合物)，在術(shù)后炎癥和患者住院和隨訪結(jié)果方面均無太大區(qū)別。新的Senko E-ternal涂層(SEC)也是一種具有良好生物相容性的新型材料，通過測定PF4(由活化血小板α顆粒釋放的細(xì)胞因子)來反映血小板的活化和損傷情況。氧化石墨烯(GO)涂層負(fù)載肝素可顯著降低血小板粘附，延長活化部分凝血活酶時間(APTT)，而不影響內(nèi)皮細(xì)胞粘附和增殖。新型涂層材料的能改善術(shù)后凝血指標(biāo)，能緩解CPB術(shù)中凝血功能紊亂的問題。

2 氧合器

氧合器經(jīng)歷了垂屏式、轉(zhuǎn)碟式、鼓泡式、膜式四個發(fā)展階段。目前主要使用的氧合器有兩種，一種是鼓泡式氧合器，另一種是膜式氧合器。鼓泡式氧合器是通過氣血直接接觸來完成血液的氧合。氧合相同數(shù)量的血液需要的氧流量越小，那么對血液的破壞越小，氧合器越好。鼓泡式氧合器主要采用10～15μm的微孔發(fā)泡板，血液與氧氣的流量比大約在1∶0.6。由于空氣中的氮氣不溶于血，因此為了避免氧分壓過高，需要適量混合二氧化碳。氧合后的血液通過祛泡板回到人體。鼓泡式氧合器的弊端主要在于發(fā)泡和祛泡過程中血液的破壞，造成大量溶血，時間越長，血液破壞越嚴(yán)重。同時可能出現(xiàn)祛泡不完全，造成氣體栓塞的風(fēng)險大大增高。

膜式氧合器成為目前市場的主流。膜式氧合器是模仿生物肺泡氣體交換原理，氣血不接觸，對血液進(jìn)行氧合?，F(xiàn)在主要使用的材料是聚丙烯中空纖維膜，氧合器內(nèi)是外走血，內(nèi)走氣，內(nèi)部的中空纖維交叉排列，血液流向與纖維交叉，使血流分布均勻，減少了血流的剪切力，增大氧合效率，同時血液破壞大大減少。氧合器的血流分布和剪切力取決于血流、氧合器的壓降、血液的粘滯度和氧合器的體積。當(dāng)氧合器確定時，影響因素取決于血流速度和壓降，因此，血流速度增加，剪切力增大，血-膜接觸時間變短，氧合效率降低。人們通常認(rèn)為氧合器中的血流分布和剪切力會影響溶血，然而在現(xiàn)代氧合器中，兩者并無太大的關(guān)系，血流方向能切向過濾空氣。雖然膜式氧合器仍不可避免地會造成炎癥反應(yīng)，但與鼓泡式氧合器相比，能減輕對中心粒細(xì)胞凋亡的抑制，同時中空纖維能深度過濾空氣栓子。氧合器膜束是CPB回路中最大的氣體微栓過濾器，纖維膜外側(cè)的血液壓力大致在100～300mmHg，而在纖維膜內(nèi)的壓力為0～15mmHg，因此過濾氣體微栓主要靠壓力差。隨著認(rèn)識的加深，人們意識到血液與空氣和非內(nèi)皮組織的長時間接觸會加重炎癥反應(yīng)，因此提倡避免直接將術(shù)野中回吸的血液回輸?shù)窖h(huán)中，雖然研究中患者最終結(jié)果無明顯差異，但實驗證明減少了炎癥因子的釋放[6]。

3 微栓過濾器

主要引起CPB后認(rèn)知功能障礙、溶血、全身炎癥和凝血變化的原因包括氣體微栓(GME)。動脈微栓過濾器主要使用40μm的聚酯濾網(wǎng)材料，在CPB中用于濾除GME，避免進(jìn)入人體。纖維材料、纖維口徑、膜厚和織造方式對GME捕獲有很大影響，因此不同廠家不同型號的氧合器和過濾器的效果不同，同時，額外使用動脈過濾器能顯著減少GME的數(shù)量。然而，在巴西等地，動脈微栓過濾器并不是常規(guī)使用的設(shè)備。動脈濾器的孔徑?jīng)Q定了能濾過GME的大小，通過比較，孔徑為20μm與孔徑為25μm所濾過的GME并無太大區(qū)別[7]。理論上孔徑越小，過濾的GME越多，然而人們不愿意使用20μm孔徑的動脈濾器的原因主要是因為血細(xì)胞的最大直徑在17～18μm之間，與20μm的孔徑相似，更易損傷細(xì)胞。創(chuàng)新性CPB理念為“表面涂層”、“血液過濾”和“微型化”，因此目前集成過濾器的肝素涂層氧合器為一個新的方向，主要為了減少預(yù)充量和管道面積。過濾器的濾網(wǎng)大多是用尼龍、滌綸等材料制成，與血流的剪切力很快會產(chǎn)生血液破壞，啟動炎癥反應(yīng)，凝血功能異常，濾網(wǎng)堵塞等問題。過濾器的表面涂層也是研究重點，從肝素涂層到海藻酸鈉涂層，生物相容性不斷提高。為了更有效地較少GME，除了使用過濾器，Condello等[8]根據(jù)Fibonacci黃金比率設(shè)計管路，較傳統(tǒng)管路提供了優(yōu)越的術(shù)中流體動力學(xué)，減少了GME的產(chǎn)生，改善了GME的消除，并改善了術(shù)中代謝。

4 超濾器

CPB中的超濾技術(shù)是通過半透膜去除多余的水分和可溶性小分子物質(zhì)。中空纖維和半透膜的作用下，產(chǎn)生超濾濃縮作用，在對流過程中，血漿中的水和低分子物質(zhì)通過一端從血液中去除。CPB中超濾作為一種降低血容量、提高紅細(xì)胞壓積和穩(wěn)定纖溶系統(tǒng)的血液濃縮技術(shù)已被廣泛接受。超濾方式分為三種:常規(guī)超濾、改良超濾、零平衡超濾。由于嬰幼兒的血容量小，傳統(tǒng)超濾方法經(jīng)常出現(xiàn)容量不足的問題，因此提出改良超濾法，主要用于CPB后濃縮血液，同時濾過一些炎癥因子，理論上成人患者也能從改良超濾法中獲益，循環(huán)炎癥介質(zhì)的顯著減少，減少失血和輸血的需求。既往研究的結(jié)果顯示[9]，在成人CPB中改良超濾法的影響尚不清楚，但改良超濾在成人CPB中越來越受歡迎。零平衡超濾技術(shù)主要用于維持血液濃度的同時，通過濾過作用減少炎癥因子。然而在系統(tǒng)評價中，零平衡超濾總的療效并不顯著，僅縮短了患者的機械通氣時間。CPB過程對肺的損傷主要在兩個方面，一是血液稀釋導(dǎo)致的血清蛋白濃度和膠體滲透壓降低，導(dǎo)致肺間質(zhì)水腫；二是停循環(huán)后的氧自由基引起的再灌注損傷[10]，因此猜測使用超濾技術(shù)能否濾過炎癥因子，改善術(shù)后肺功能，結(jié)果顯示并無太大差距。但在另一項研究表明，在嬰兒CPB中使用零平衡超濾能改善患兒術(shù)后呼吸功能，降低降鈣素原等效應(yīng)[11]。

5 白細(xì)胞濾過器

白細(xì)胞過濾器主要用于血液回收后預(yù)防輸血相關(guān)并發(fā)癥，減少血小板輸注。CPB過程中通過活化白細(xì)胞，尤其是中性粒細(xì)胞，引發(fā)全身炎癥反應(yīng)。最初，炎癥細(xì)胞因子刺激內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子的合成，中性粒細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞緊密接觸。在這一初始階段，中性粒細(xì)胞通過細(xì)胞粘附分子CD11b/CD18與內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的細(xì)胞間粘附分子-1相互作用，附著在內(nèi)皮細(xì)胞上，產(chǎn)生趨化因子和細(xì)胞毒素，就會發(fā)生中性粒細(xì)胞的遷移。當(dāng)中性粒細(xì)胞到達(dá)目標(biāo)部位時，它們向新再灌注的組織釋放細(xì)胞毒性物質(zhì)和酶，破壞內(nèi)皮。白細(xì)胞活化導(dǎo)致IL-6、TNF-α和內(nèi)毒素等促炎介質(zhì)的顯著釋放，所有這些介質(zhì)都激活單核細(xì)胞，導(dǎo)致組織因子表面表達(dá)增強。因此，白細(xì)胞過濾器開始大量應(yīng)用于CPB過程。白細(xì)胞濾器主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種依靠多孔泡沫去除白細(xì)胞，另一種依靠纖維結(jié)構(gòu)去除白細(xì)胞。前者主要依靠血細(xì)胞的變形能力來濾過白細(xì)胞，白細(xì)胞代謝越低，去除率越高。后者的工作原理主要是白細(xì)胞上活躍的細(xì)胞黏附部分與纖維的相互作用，因此白細(xì)胞代謝越低，去除率越低[12]。在CPB中使用白細(xì)胞過濾器的方式很多，如通過動脈通路、靜脈通路、吸引通路、機血回輸?shù)韧緩健６鋵颊叩念A(yù)后并沒有太大的影響，原因可能是過濾器面積小，無法過濾吸附大量白細(xì)胞；或者不能過濾活化的白細(xì)胞。目前，研制出了一種新的白細(xì)胞過濾器，能通過三層特制纖維結(jié)構(gòu)，選擇性地吸附被炎癥激活的中性粒細(xì)胞或單核細(xì)胞等，而減少對自然免疫細(xì)胞的濾過。白細(xì)胞過濾器能夠減少器官功能障礙和炎癥標(biāo)記物有大量的證據(jù)證明，然而，對于使用白細(xì)胞過濾器的最佳策略仍沒有定論，目前在臨床上尚未成為一種常規(guī)預(yù)防、治療手段。

6 總 結(jié)

CPB炎癥反應(yīng)是無法避免的問題，人們只能通過各種手段來盡可能減輕炎癥?？傮w來說，近年來CPB技術(shù)并未發(fā)生較大改變。主要的減輕炎癥的手段是通過改進(jìn)設(shè)備材料、使用藥物來實現(xiàn)。然而很多方式，如改良超濾、白細(xì)胞濾過器等，有一定的去除炎癥因子的作用，但實際患者預(yù)后并沒有顯著優(yōu)勢?？赡苁怯捎诩膊》N類、手術(shù)方式、CPB過程中其他引起炎癥的因素的變化。針對體外循環(huán)管路材料與血液接觸和血-氣平的問題，開始使用微型CPB。它的管路路徑短，不包括吸引回收的血液，研究表明，微型CPB確實能減少中性粒細(xì)胞表面的CD162、CD166和CD195的表達(dá)[13]。其中CD162主要參與激活控制細(xì)胞骨架重排、基因轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞因子產(chǎn)生的信號通路；CD166屬于細(xì)胞黏附分子，在炎癥、白細(xì)胞遷移、外滲、分化和增殖中起重要作用；CD195的作用在控制粒細(xì)胞系的增殖分化、細(xì)胞骨架重排、趨化細(xì)胞募集等方面。在CPB中除了與血液直接接觸的設(shè)備有很大的血液破壞風(fēng)險，通過管道對血液進(jìn)行作用的泵頭對血液和免疫有較大影響[14]。目前使用的人工泵主要有滾壓泵和離心泵兩種，前者由于對管道產(chǎn)生泵壓，長時間會產(chǎn)生溶血，同時會產(chǎn)生附壁微栓；后者通過渦流和離心力，與血液接觸少，血液破壞較少，但軸承處易產(chǎn)生血栓。血栓的產(chǎn)生會引發(fā)凝血功能異常，出現(xiàn)炎癥反應(yīng)。CPB導(dǎo)致全身炎癥反應(yīng)綜合征的發(fā)病機制有多種解釋。

在“二次打擊”學(xué)說中，CPB引起的缺血再灌注損傷，腸道細(xì)菌移位等均為炎癥反應(yīng)的重要因素。因此，除了在設(shè)備方面考慮如何更符合生理條件，更應(yīng)該考慮如何減少內(nèi)環(huán)境紊亂來控制炎癥反應(yīng)。