人工CO2氣胸對機體影響的研究進展

任運欽，封曉影，趙田園，祝 幸，閆 紅,毛慶祥 (陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院麻醉科，重慶 400042)

電視胸腔鏡手術(shù)已成為胸心外科疾病診斷和治療的一種重要手段。胸腔鏡手術(shù)具有創(chuàng)傷小、疼痛輕、切口美觀以及術(shù)后并發(fā)癥少等優(yōu)點，但對手術(shù)視野暴露要求較高。向術(shù)側(cè)胸腔內(nèi)注入CO2建立人工氣胸，維持肺萎陷，有助于外科醫(yī)生獲得最佳的手術(shù)視野和操作空間，還可使一些不宜或無法使用雙腔氣管導(dǎo)管插管單肺通氣患者(如兒童)的胸腔鏡手術(shù)成為可能。然而，CO2氣胸期間的胸腔內(nèi)正壓會對循環(huán)和呼吸功能造成直接影響；血液和組織器官內(nèi)CO2濃度增高也會對患者的治療和預(yù)后造成一系列潛在影響。近十年來，研究人員對CO2氣胸的病理生理效應(yīng)進行了大量的動物實驗和臨床觀察，本文擬對此方面的研究進展作一綜述。

1 CO2氣胸對循環(huán)功能的影響

研究證實，CO2氣胸可以干擾血流動力學(xué)穩(wěn)定，主要是由于胸腔內(nèi)正壓壓迫心臟及大血管，使靜脈回流受阻，心臟舒縮功能降低；另外肺組織萎陷引起的缺氧性血管收縮也可對血流動力學(xué)造成影響[1]。CO2氣胸對循環(huán)功能影響的嚴(yán)重程度與氣胸壓力、充氣速度、機體代償能力等因素有關(guān)。

研究發(fā)現(xiàn)，雙肺或單肺通氣情況下給予胸腔內(nèi)正壓后，血流動力學(xué)會受到抑制，表現(xiàn)為平均動脈壓、心臟指數(shù)、每搏量和左室心搏做功指數(shù)降低，中心靜脈壓、肺動脈壓和肺動脈楔壓增高，血流動力學(xué)抑制程度與氣胸壓力的增加趨勢(5、10、15 mmHg)呈正相關(guān)[2-3]。在相同的胸腔內(nèi)正壓情況下，人類的心功能受抑制程度較實驗動物輕[4]。目前主流的觀點認(rèn)為，胸腔CO2充氣壓力<8 mmHg、充氣流速<2 L/min對循環(huán)系統(tǒng)影響較小，大多數(shù)患者可以耐受[5]。也有報道稱胸腔鏡手術(shù)中給予14 mmHg的胸腔內(nèi)正壓，患者的血壓等血流動力學(xué)指標(biāo)沒有明顯變化，但其研究對象都是青壯年，具有較好的代償能力[6]。對兒童的研究發(fā)現(xiàn)，維持CO2壓力<5 mmHg，人工氣胸不會對機體血流動力學(xué)造成明顯影響，采用滴定法逐漸增加壓力，有助于減少氣胸對心輸出量的抑制作用[7]。

大多數(shù)研究顯示，CO2氣胸期間患者心率保持穩(wěn)定或者增加[8-10]。心率增加可能是動脈血二氧化碳分壓(arterial partial pressure of carbon dioxide,PaCO2)增加引起的應(yīng)激反應(yīng)，或者血壓下降引起的代償反應(yīng)。而CO2充氣引起的急性心血管虛脫患者心率表現(xiàn)為減慢。急性心血管虛脫是CO2氣胸的嚴(yán)重并發(fā)癥，表現(xiàn)為低血壓、氧飽和度(oxygen saturation,SpO2)下降、心率減慢甚至心臟停搏，一般認(rèn)為充氣壓力過高或者充氣速度過快是其主要原因。在一項研究中，1例患者右側(cè)胸腔注入CO2，流速25 L/min，壓力10 mmHg，致心跳停搏，給予血管活性藥物，胸腔放氣10 s后心跳恢復(fù)，之后胸腔再次緩慢充氣至8 mmHg，無不良反應(yīng)發(fā)生[11]。另外1例發(fā)生心血管虛脫病例報道中CO2氣胸充氣壓為15 mmHg，隨著胸腔內(nèi)氣體釋放，心率和血壓逐漸恢復(fù)[12]。動物和人體的氣腹試驗均發(fā)現(xiàn)CO2充氣過程中存在壓力超射現(xiàn)象，腹腔最高壓力可達到預(yù)設(shè)值的1.8倍[13]。在胸腔內(nèi)充氣期間也可能存在這種壓力超射，而且充氣速度越快，壓力超射值越高。胸腔內(nèi)壓短時間內(nèi)劇增，可引起嚴(yán)重的心包外壓塞、縱隔顯著偏移和靜脈回流迅速下降，交感神經(jīng)系統(tǒng)來不及代償，致心血管虛脫。有研究認(rèn)為，Bezold-Jarisch反射可能是心動過緩的重要發(fā)病機制，該反射由左心室壁的機械壓力感受器介導(dǎo)，在室壁變形(心室充盈不足或心室肌缺血區(qū)在收縮期膨出)時被激活，引起心率減慢。胸腔內(nèi)高壓壓迫心包或使縱隔移位，可刺激心室激活該反射，引起心動過緩或心搏停止[12]。另外主動脈弓壓力感受器介導(dǎo)的迷走反射、右房及腔靜脈管壁感受器介導(dǎo)的Bainbridge反射也可能參與心動過緩的形成。

需要指出的是，通過提高胸腔內(nèi)注入CO2的速度或壓力以提高肺萎陷速度的臨床意義不大，這樣反而會增加急性心血管虛脫風(fēng)險。胸腔與大氣相通時肺萎陷由2個階段組成[14]：在第1階段，肺固有彈性回縮力介導(dǎo)快速萎陷，持續(xù)時間約60 s(小氣道梗阻或胸膜粘連患者可能有差異)；在第2階段，小氣道逐漸關(guān)閉，肺萎陷主要依靠肺毛細(xì)血管對肺泡內(nèi)殘余氣體的吸收。在第1階段，胸腔內(nèi)充入低壓CO2(5 mmHg)時肺萎陷速度并不比肺主動萎陷的速度快，而充入高壓CO2(>10 mmHg)對循環(huán)抑制效應(yīng)顯著，其導(dǎo)致的肺血流減少還會延緩第2階段的肺泡內(nèi)殘余氣體的吸收。在第2階段，由于小氣道關(guān)閉，增加胸內(nèi)壓或者負(fù)壓吸引氣道等增加排氣的方法均無明顯作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在肺萎陷前吸入純氧或氧化亞氮，使其充滿肺泡，有利于提高第2階段的肺萎陷速度[15]。

由于左右胸腔及心臟的結(jié)構(gòu)和生理差異，有研究推測左右胸腔內(nèi)氣胸引起的血流動力學(xué)改變可能會有所不同。El-Dawlatly等[16]發(fā)現(xiàn)，右側(cè)氣胸后心輸出量和心臟指數(shù)比左側(cè)低，推測可能與靜脈回流減少有關(guān)。Kharbanda等[17]發(fā)現(xiàn)，左側(cè)氣胸后血壓下降比右側(cè)更顯著，并出現(xiàn)心動過緩，推測可能是心臟迷走反射激活所致。但是其他臨床研究或動物實驗未能重復(fù)這些差異，因此還不能確認(rèn)這一現(xiàn)象。

2 CO2氣胸對呼吸功能的影響

CO2氣胸可以抑制呼吸功能，其主要通過增加氣道壓、降低氧合以及CO2吸收致高碳酸血癥等方面對患者造成影響[18]。研究發(fā)現(xiàn)，CO2氣胸期間患者平均氣道壓和氣道峰壓顯著增高，并且與氣胸壓力值呈正相關(guān)，可能來源于胸腔內(nèi)正壓的傳導(dǎo)效應(yīng)；此外，氣道壓增高與肺容積減少也有一定關(guān)系[3]。肺動態(tài)順應(yīng)性在CO2氣胸期間明顯降低，與氣胸壓力值呈負(fù)相關(guān)，但是CO2氣胸結(jié)束后，肺組織的順應(yīng)性立即恢復(fù)至氣胸前狀態(tài)。

雖然CO2氣胸可以使肺萎陷，增高氣道壓，降低肺順應(yīng)性，但是患者在雙肺通氣下氧合仍然優(yōu)于單肺通氣。Brock等[19]在胸科手術(shù)患者雙肺通氣期間分別建立單側(cè)5、10、15 mmHg CO2氣胸，發(fā)現(xiàn)患者在不同壓力下的氧合指數(shù)與基礎(chǔ)水平相比均無明顯改變；而同樣的患者實施單肺通氣時，氧合指數(shù)逐漸下降至基礎(chǔ)水平的40.6%。另一項研究也發(fā)現(xiàn)，對雙肺通氣患者實施6 mmHg CO2氣胸，在吸入50%氧濃度的情況下，患者SpO2維持在98%；而單肺通氣患者的SpO2下降至95%，其中有3例患者SpO2低于90%[17]。這可能是由于雙肺通氣期間CO2氣胸側(cè)肺并未完全萎陷，肺交換面積更大。當(dāng)超過70%的肺處于肺不張狀態(tài)時，乏氧性肺血管收縮即無法代償肺內(nèi)分流，因此CO2氣胸側(cè)肺內(nèi)分流能被乏氧性肺血管收縮有效代償也是此類患者能維持正常氧合的原因之一[20]。

CO2氣胸引起高碳酸血癥是由胸膜對CO2的吸收(吸收增加)和肺通氣、換氣能力下降(排出減少)導(dǎo)致，其中胸膜對CO2的吸收是主要原因。有研究證實單肺通氣患者的SpO2不及雙肺通氣聯(lián)合CO2氣胸患者，提示單肺通氣患者肺通氣、換氣功能受損更嚴(yán)重，但是單肺通氣患者PaCO2上升幅度卻不及雙肺通氣聯(lián)合CO2氣胸患者明顯(3 mmHgvs. 14 mmHg)[16]。另外，雙側(cè)胸腔同時注入CO2時，PaCO2上升幅度比單側(cè)胸腔充氣更為顯著(17 mmHgvs.7 mmHg)，但是SpO2沒有顯著差異(95%vs. 95%)[21]。因此，可以推測胸膜對CO2的吸收是CO2氣胸引起高碳酸血癥和呼吸性酸中毒的主要原因。呼氣末二氧化碳(end-tidal carbon dioxide，ETCO2)是臨床常用的PaCO2監(jiān)測手段，但是有研究發(fā)現(xiàn)CO2氣胸期間患者的PaCO2-ETCO2差值從5 mmHg增加至7～16 mmHg，高于氣腹手術(shù)患者，因此CO2氣胸期間ETCO2不能準(zhǔn)確反映血液PaCO2水平或變化趨勢[22]。而經(jīng)皮CO2分壓監(jiān)測可能是一個較好的替代監(jiān)測手段[23]。大多數(shù)情況下高碳酸血癥可通過調(diào)整呼吸機參數(shù)保持在可接受的范圍內(nèi)。Garg[24]研究發(fā)現(xiàn)，在允許性高碳酸血癥的范圍內(nèi)，動脈血PaCO2高達67 mmHg，pH值低至7.2，仍然可以保證組織的氧供以及血流灌注正常。Tytgat等[7]對新生兒實施5 mmHg的CO2氣胸，發(fā)現(xiàn)其可引起SpO2下降至90%，PaCO2上升至54 mmHg，pH值降至7.25，但增加通氣量后，氣體交換指標(biāo)恢復(fù)正常。目前認(rèn)為高碳酸血癥時PaCO2本身不能收縮肺血管，主要是PaCO2增高產(chǎn)生過多的H+，而過多的H+使血管對缺氧收縮敏感性增強，進而導(dǎo)致肺動脈壓增高[25]。有研究顯示高碳酸血癥還通過降低Rho相關(guān)蛋白激酶的活性改善肺動脈高壓[26]。目前CO2氣胸對呼吸功能的影響研究多為短期觀察，CO2氣胸后動脈血氧分壓(partial pressure of oxygen,PaO2)降低和PaCO2增高持續(xù)時間長短對患者其他生理功能的影響可能存在差異，但是缺少這方面的觀察研究。

3 CO2氣胸對凝血功能的影響

目前關(guān)于CO2氣胸對凝血功能影響的研究較少。CO2氣腹與CO2氣胸有類似之處，研究顯示，CO2氣腹會對凝血-纖溶功能產(chǎn)生一定的影響，這對CO2氣胸相關(guān)研究有一定借鑒意義。Caprini等[27]發(fā)現(xiàn)氣腹手術(shù)后患者凝血功能增強，可能是氣腹以及患者體位引起的下肢靜脈血液瘀滯所致。Donmez等[28]發(fā)現(xiàn)，氣腹手術(shù)后24 h內(nèi)患者血漿纖溶活性明顯增強，凝血功能明顯減弱，其原因可能與肝血流減少致凝血因子合成減少以及血管內(nèi)皮損傷、纖溶酶原激活物釋放有關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)，CO2氣腹對凝血-纖溶功能沒有明顯影響[29]。CO2氣胸理論上也可以導(dǎo)致腔靜脈回流受限和血管內(nèi)皮損傷，進而影響患者的凝血功能。Mao等[30]研究發(fā)現(xiàn)CO2氣胸可使食管癌切除術(shù)患者術(shù)中TEG指標(biāo)R值、K值延長，α角、MA值減小，提示CO2氣胸可使患者凝血功能減弱，纖溶功能增強，推測可能是由于PaCO2增高導(dǎo)致酸中毒引起的繼發(fā)性改變，但是這種變化趨勢尚待進一步研究驗證。

4 CO2氣胸對腫瘤轉(zhuǎn)移的影響

腫瘤轉(zhuǎn)移是癌癥患者術(shù)后復(fù)發(fā)和死亡的重要原因。既往研究發(fā)現(xiàn)，CO2注入腹腔后，腹腔內(nèi)正壓可對腹膜間皮細(xì)胞造成機械壓力損傷[31]；CO2可以溶解在腹膜表面漿液中造成化學(xué)損傷(酸中毒)[32]；CO2還可改變腹膜局部微環(huán)境，使腹膜局部免疫功能降低[33]；這些改變使瘤細(xì)胞易于黏附生長與種植轉(zhuǎn)移。CO2氣胸理論上也可以引起胸膜結(jié)構(gòu)和局部微環(huán)境改變，造成免疫抑制以及分子生物學(xué)等一系列改變，并影響腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移，但是相關(guān)研究較少，尚無明確結(jié)論。

CO2可以使腫瘤細(xì)胞增殖活躍，使與腫瘤細(xì)胞生長轉(zhuǎn)移有關(guān)的分子(如細(xì)胞黏附分子)表達增加，直接促進腫瘤細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移[34-36]。Jiang等[37]在研究CO2氣胸對食管癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移時發(fā)現(xiàn)，食管癌細(xì)胞經(jīng)12 mmHg CO2氣胸處理1 h后，腫瘤細(xì)胞的存活率和侵襲力均高于對照組，黏附和轉(zhuǎn)移相關(guān)分子的表達也顯著增加。但是也有研究顯示CO2可抑制腫瘤細(xì)胞的生長。Yang等[38]檢測體外CO2氣腹模型發(fā)現(xiàn)，隨著CO2壓力增加，結(jié)直腸癌細(xì)胞CXCR4和CCR7的表達逐漸降低。Tan[39]發(fā)現(xiàn)CO2對大鼠移行細(xì)胞癌細(xì)胞系有毒性作用，可抑制細(xì)胞黏附和生長，抑制效果與CO2壓力呈正相關(guān)。還有研究發(fā)現(xiàn)，CO2經(jīng)過加溫加濕有助于抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲和黏附[36,39]。這些研究多為體外實驗，是否能在人體研究中得到一致的結(jié)果，是否對食管癌、胸腺瘤、肺癌等胸部腫瘤產(chǎn)生同樣的效應(yīng)尚待進一步研究驗證。

5 CO2氣胸對神經(jīng)系統(tǒng)的影響

研究表明，PaO2、PaCO2、平均動脈壓(mean arterial pressure,MAP)以及血紅蛋白濃度是影響腦氧合和腦灌注的重要因素，CO2氣胸可以通過改變PaO2、PaCO2和MAP對神經(jīng)系統(tǒng)造成一定影響[40-41]。

Tytgat等[7]對新生兒腦氧飽和度研究發(fā)現(xiàn)，人工氣胸(5 mmHg)建立后患者出現(xiàn)明顯的高碳酸血癥和酸中毒，且動脈SpO2下降，而大腦局部腦氧飽和度(regional cerebral oxygen saturation,rScO2)略有下降，但在正常范圍內(nèi)(55%～85%)。本研究認(rèn)為，如果血壓保持正常，高碳酸血癥引起的血管擴張可以補償動脈SpO2降低引起的腦供氧減少。Neunhoeffer等[42]研究發(fā)現(xiàn)，人工氣胸可引起rScO2降低，并且rScO2與氣胸壓力值呈負(fù)相關(guān)，同時，局部腦血流量在人工氣胸期間保持不變。本研究認(rèn)為，雖然高碳酸血癥可使腦血管擴張，腦灌注增加，但是胸內(nèi)壓力增高引起的心輸出量減少和腦靜脈回流受限可以降低腦灌注，與腦血管擴張效應(yīng)抵消。動物實驗發(fā)現(xiàn)，氣胸壓力為10 mmHg時會導(dǎo)致嚴(yán)重的血流動力學(xué)不穩(wěn)定和腦灌注降低，而壓力為5 mmHg時，這些指標(biāo)保持穩(wěn)定，提示胸腔內(nèi)壓力過高造成的血流動力學(xué)抑制效應(yīng)會超過高碳酸血癥引起的腦血管擴張效應(yīng)，表現(xiàn)為腦灌注降低[43]。此外，CO2氣胸對神經(jīng)系統(tǒng)的遠期影響尚不明確。Miranda等[44]對新生大鼠建立CO2氣胸模型，發(fā)現(xiàn)CO2氣胸能使新生大鼠腦脊液IL-10水平顯著升高，但在大鼠成年后沒有觀察到腦功能行為學(xué)改變。目前CO2氣胸對神經(jīng)系統(tǒng)影響的觀察指標(biāo)以局部腦血流和腦SpO2為主，缺少對遠期神經(jīng)功能的觀察；研究人群主要為嬰幼兒，缺少對老年人等神經(jīng)系統(tǒng)功能減退人群的研究。腦SpO2的變化和神經(jīng)功能的改變與CO2氣胸的參數(shù)設(shè)置以及持續(xù)時間的關(guān)系值得深入探討。

6 小結(jié)與展望

綜上所述，目前研究顯示CO2氣胸可能會干擾血流動力學(xué)穩(wěn)定，抑制呼吸功能及凝血功能，影響腦氧合和腦灌注，還可能增加腫瘤轉(zhuǎn)移的潛在風(fēng)險，對患者的術(shù)后恢復(fù)以及遠期預(yù)后造成潛在影響，但CO2氣胸對生理功能的干擾還需更多更深入的基礎(chǔ)以及臨床研究才能對其作出準(zhǔn)確的評估。臨床醫(yī)師在實施CO2氣胸期間也需要根據(jù)患者的監(jiān)測指標(biāo)進行相應(yīng)的調(diào)整，如增加分鐘通氣量、降低CO2流速以及壓力以減少CO2人工氣胸對患者造成的不利影響，并改善患者預(yù)后。