基于白蛋白透析的非生物型人工肝支持系統(tǒng)研究進(jìn)展

蔡少如, 古明子, 張琳雅, 傅裕, 馮磊

(南方醫(yī)科大學(xué) 珠江醫(yī)院 肝膽二科,廣東 廣州 510282)

目前人工肝支持系統(tǒng)主要分為3大類,即:非生物型人工肝支持系統(tǒng)(non-biological artificial liver support system,NBALSS),生物型人工肝支持系統(tǒng)(bio-artificial liver support system,BALSS) 和混合型人工肝支持系統(tǒng)(hybrid artificial liver support system,HALSS)[2,5]。

NBALSS是指通過(guò)體外物理和化學(xué)方法構(gòu)成的支持系統(tǒng),能夠部分替代肝臟的解毒功能,治療模式主要包括血漿置換(plasma exchange,PE)、血液透析(hemodialysis,HD)、血漿灌流(plasma perfusion,PP)、血液濾過(guò)(hemofiltration,HF)、白蛋白透析等[2-3]。NBALSS是目前臨床上ALF橋接治療的主要手段,能有效凈化肝衰竭病程中產(chǎn)生的白蛋白結(jié)合毒素和炎癥因子等[6-7]。不同的NBALSS治療模式凈化不同分子量的物質(zhì)的能力具有較大差異?，F(xiàn)有研究表明,運(yùn)用單一NBALSS模式并不能明顯改善ALF或慢加急性肝衰竭(acute-on-chronic liver failure,ACLF)患者的預(yù)后。

BALSS具有全面代替肝臟解毒、代謝、生物合成等功能的特點(diǎn),其最核心的構(gòu)成部分是生物反應(yīng)器和種子細(xì)胞[8]。理論上BALSS是最接近正常肝臟的人工肝支持系統(tǒng),目前已報(bào)道的BALSS主要有HepatAssist、extracorporeal liver assist device(ELAD)、academic medical center bioartificial liver(AMC-BAL)、modular extracorporeal liver support(MELS)、bioartificial liver support system(BLSS)等[3]。盡管部分BALSS已開展了Ⅲ期臨床試驗(yàn),但都未達(dá)到預(yù)期效果。

HALSS結(jié)合了NBALSS和BALSS的優(yōu)勢(shì),能更好地發(fā)揮代替肝臟解毒、代謝、生物合成等功能[9],具有巨大的治療潛力。

白蛋白由肝臟合成分泌,它在血漿中的半衰期約為17 d,是血漿中最豐富的蛋白質(zhì),占血漿總蛋白質(zhì)的50%。其能夠維持血漿膠體滲透壓,結(jié)合運(yùn)輸相關(guān)物質(zhì)(膽紅素、脂肪酸和藥物等),降低氧化應(yīng)激和炎癥因子,調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)[10]。ALF患者,由于肝臟功能受損,其白蛋白合成功能下降,結(jié)合毒素轉(zhuǎn)運(yùn)受阻,這會(huì)引起多器官功能異常。白蛋白透析通過(guò)透析膜兩側(cè)的白蛋白競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合蛋白結(jié)合毒素,從而能有效地清除硫醇、γ-氨基丁酸、游離脂肪酸等毒素[11]。

近年來(lái),通過(guò)組合單純血漿濾過(guò)、灌流和白蛋白透析,非生物型人工肝支持系統(tǒng)變得更加豐富。這些組合根據(jù)系統(tǒng)中利用的白蛋白不同,又被分為內(nèi)源性白蛋白透析系統(tǒng)和外源性白蛋白透析系統(tǒng)。內(nèi)源性白蛋白透析系統(tǒng)是指通過(guò)成分血漿分離器分離血漿,利用內(nèi)生性白蛋白清除蛋白結(jié)合毒素和/或水溶性毒素的系統(tǒng)(圖1、表1),主要包括生物透析吸附血漿濾過(guò)治療(biologic-detoxifier and plasma filter,biologic-DTPF)系統(tǒng)、成分血漿分離吸附聯(lián)合血液透析(fractionated plasma separation and adsorption,FPSA,又稱Promethus)系統(tǒng)、配對(duì)血漿濾過(guò)吸附(coupled plasma filtration adsorption, CPFA)系統(tǒng)、血漿濾過(guò)吸附透析(plasma filtration adsorption dialysis, PFAD)系統(tǒng)和李氏非生物型人工肝支持系統(tǒng)(Li’s artificial liver system, Li-ALS);外源性白蛋白透析系統(tǒng)是指利用外源性白蛋白通過(guò)透析膜競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合蛋白結(jié)合毒素,去除蛋白結(jié)合毒素和水溶性毒素的系統(tǒng)(圖2、表2),主要包括白蛋白分子吸附再循環(huán)系統(tǒng)(molecular adsorbents recirculating system,MARS)、單向白蛋白透析(single-pass albumin dialysis,SPAD)系統(tǒng)、連續(xù)白蛋白凈化系統(tǒng)(continuous albumin purification system,CAPS)和高級(jí)器官支持系統(tǒng)(ADVanced organ support system,ADVOS)[5, 12]。這些組合系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)血液凈化技術(shù)與人工肝的發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用。本研究主要綜述白蛋白透析的非生物人工肝支持系統(tǒng)的研究進(jìn)展,以期為人工肝的研發(fā)提供借鑒,并展望未來(lái)人工肝的發(fā)展方向。

表1 內(nèi)源性白蛋白透析系統(tǒng)相關(guān)原理、特點(diǎn)等的比較Table 1 Comparison of the relevant principle and characteristic of endogenous albumin dialysis system

表2 外源性白蛋白透析系統(tǒng)相關(guān)原理、特點(diǎn)等的比較Table 2 Comparison of the relevant principles and characteristics of exogenous albumin dialysis system

A:生物透析吸附血漿濾過(guò)治療系統(tǒng);B:普羅米修斯系統(tǒng);C:配對(duì)血漿濾過(guò)吸附系統(tǒng);D:血漿濾過(guò)吸附透析系統(tǒng);E:李氏非生物型人工肝支持系統(tǒng)。A: Biologic-DTPF system;B:Prometheus system;C: Coupled plasma filtration adsorption system; D: Plasma filtration adsorption dialysis system; E: Li’s artificial liver system.圖1 內(nèi)源性白蛋白透析系統(tǒng)模式圖Figure 1 Schematic of the endogenous albumin dialysis system

A:分子吸附再循環(huán)系統(tǒng);B:單向白蛋白透析系統(tǒng);C:連續(xù)白蛋白凈化系統(tǒng);D:高級(jí)器官支持系統(tǒng)。A: Molecular adsorbents recirculating system; B: Single-pass albumin dialysis system; C: Continuous albumin purification system; D: ADVanced organ support system.圖2 外源性白蛋白透析系統(tǒng)模式圖Figure 2 Schematic of the exogenous albumin dialysis system

1 內(nèi)源性白蛋白透析系統(tǒng)

1.1 生物透析吸附血漿濾過(guò)治療(biologic-DTPF)系統(tǒng)

biologic-DTPF系統(tǒng)是biologic-DT系統(tǒng)聯(lián)合血漿分離(再吸附)的改良系統(tǒng),清除蛋白結(jié)合毒素的能力較強(qiáng)。biologic-DTPF系統(tǒng)由Steczko等[13]開發(fā),是最早應(yīng)用于臨床的具有不同凈化模式的NBALSS。biologic-DTPF系統(tǒng)可通過(guò)透析作用和吸附劑過(guò)濾清除大部分的毒性物質(zhì),其最重要的一個(gè)特點(diǎn)是吸附劑呈懸液狀,這極大提高了吸附表面積,因此具有顯著的吸附能力。但在biologic-DTPF系統(tǒng)治療過(guò)程中,吸附劑可能激活血小板,導(dǎo)致凝血功能異常,目前極少應(yīng)用于臨床。

聽一位基層干部說(shuō)，他分包了一個(gè)貧困戶，上級(jí)要求每周至少見兩次面，而且必須有照片為證。有時(shí)候太忙，一周去不了兩次，怎么辦呢？于是他就想了一個(gè)辦法，去見這個(gè)貧困戶時(shí)，一次多拍幾張照片。有在屋里的，有在院里的，還有在地里的。而且每個(gè)場(chǎng)景，都不穿一樣的衣服。當(dāng)自己因故沒去的時(shí)候，就發(fā)一張儲(chǔ)存的照片交差。

1.2 成分血漿分離吸附聯(lián)合血液透析(Prometheus)系統(tǒng)

Prometheus系統(tǒng)主要由聚砜膜透析器(截留相對(duì)分子量250 000～300 000)、吸附系統(tǒng)和常規(guī)血液透析系統(tǒng)組成,該聚砜透析膜可以將血液中90%的白蛋白分離出來(lái),分離出來(lái)的成分血漿首先通過(guò)吸附系統(tǒng)以凈化蛋白結(jié)合毒素(大分子物質(zhì)),然后通過(guò)高通量血液透析系統(tǒng)以清除水溶性毒素[14]。Prometheus系統(tǒng)利用的是患者的內(nèi)源性白蛋白,而不是MARS系統(tǒng)所用的外源性白蛋白,這會(huì)導(dǎo)致患者自身的白蛋白水平下降;Prometheus系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是其將高通量透析器與患者的血液一起放置在白蛋白循環(huán)中,成分血漿經(jīng)過(guò)吸附柱時(shí)進(jìn)行的是非選擇性吸附,即在清除毒素的同時(shí)也會(huì)清除血漿中的正常蛋白,如C蛋白,從而會(huì)導(dǎo)致體外循環(huán)凝血的風(fēng)險(xiǎn)增加。

Grodzicki等[15]對(duì)114例患者進(jìn)行了278次Prometheus系統(tǒng)透析治療,每次治療持續(xù)約6 h,發(fā)現(xiàn)Prometheus系統(tǒng)能夠降低相關(guān)細(xì)胞炎癥因子水平,對(duì)ALF患者的肝功能具有顯著改善作用,并且其允許對(duì)患者的體溫進(jìn)行調(diào)節(jié),這在其他人工肝系統(tǒng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。Kribben等[16]進(jìn)行了一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照研究,發(fā)現(xiàn)在患者28 d和90 d存活率方面,Prometheus系統(tǒng)并未產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)影響,但分層分析結(jié)果顯示,其可顯著提高M(jìn)ELD評(píng)分>30分的患者的90 d存活率。關(guān)于SPAD系統(tǒng)和Prometheus救治酒精性肝硬化/酒精性肝炎的回顧性研究系統(tǒng)顯示,對(duì)于修正的MELD UNOS評(píng)分在18～30分的繼發(fā)于酒精性肝硬化/酒精性肝炎的患者,這兩個(gè)系統(tǒng)均具有顯著的效果[17]。

1.3 配對(duì)血漿濾過(guò)吸附(CPFA)系統(tǒng)

CPFA系統(tǒng)是一種血漿過(guò)濾吸附與血液透析相結(jié)合的解毒系統(tǒng),系統(tǒng)的第1部分可以被認(rèn)為是一個(gè)“閉環(huán)”,閉環(huán)中的樹脂吸附柱對(duì)許多細(xì)胞因子、介質(zhì)和毒素具有高親和力,血漿過(guò)濾器分離的血漿通過(guò)樹脂吸附柱后形成的純化血漿被再返回至患者體內(nèi);系統(tǒng)的第2部分,即血液過(guò)濾器,其主要功能為濾除未被樹脂吸附的剩余毒素或調(diào)控血容量[18]。

Tetta等[19]首次使用CPFA系統(tǒng)治療膿毒癥動(dòng)物模型,發(fā)現(xiàn)CPFA系統(tǒng)能吸附過(guò)濾大量炎癥因子,從而顯著改善動(dòng)物模型的生存率。另一項(xiàng)研究將CPFA系統(tǒng)用于救治腹膜炎導(dǎo)致內(nèi)毒素血癥的實(shí)驗(yàn)豬,結(jié)果顯示CPFA系統(tǒng)并不能改善其內(nèi)毒素血癥的癥狀,尤其是微循環(huán)、內(nèi)皮損傷等[20]。Garbero等[21]開展了一項(xiàng)多中心隨機(jī)對(duì)照臨床研究,發(fā)現(xiàn)單次CPFA系統(tǒng)治療并不能改善感染性休克患者的生存率,但使用CPFA系統(tǒng)進(jìn)行多次治療則有助于提高生存率。

目前CPFA系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于肝功能衰竭、膿毒血癥、全身炎癥綜合征等的治療[21-22]。雖然大量體外試驗(yàn)證實(shí)了CPFA系統(tǒng)的安全性與有效性,但其能否改善膿毒血癥患者的生存率尚需進(jìn)一步的研究探討。并且,該系統(tǒng)中血漿吸附與血漿透析串聯(lián),會(huì)受限于分漿速率,導(dǎo)致透析效率顯著較低。

1.4 血漿濾過(guò)吸附透析(PFAD)系統(tǒng)

PFAD 技術(shù)基于一種新的凈化原理,利用三室透析器通過(guò)濾過(guò)、吸附及透析3種連續(xù)技術(shù)的組合來(lái)凈化患者的血液[23]。這種特殊設(shè)計(jì)可以去除細(xì)胞因子等大分子物質(zhì),適用于敗血癥、ALF、多器官功能障礙綜合征(multiple organ dysfunction syndrome,MODS)等疾病的治療。

PFAD系統(tǒng)首先利用濾過(guò)和吸附以清除血漿中的可溶性小分子物質(zhì),然后通過(guò)白蛋白的凈化介質(zhì)作用來(lái)清除蛋白結(jié)合毒素和大分子疏水物質(zhì),患者的血漿白蛋白既可作為一種介質(zhì),又可作為凈化的基質(zhì)。該系統(tǒng)可清除因急性肝功能衰竭產(chǎn)生的大量炎癥介質(zhì)和細(xì)胞因子,從而治療患者的臨床癥狀,提高生存率[24]。但是因該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,操作困難,故尚未見相關(guān)臨床研究報(bào)道。

1.5 李氏非生物型人工肝支持系統(tǒng)(Li-ALS)

Li-ALS是由低流量血漿置換聯(lián)合血漿循環(huán)吸附濾過(guò)組合而成的新型NBALSS系統(tǒng)。治療過(guò)程中,血液先經(jīng)過(guò)血漿分離器(OP-02W)進(jìn)行1 h的低流量血漿置換,再以置換出來(lái)的廢棄血漿為循環(huán)介質(zhì),依次經(jīng)過(guò)血漿濾過(guò)(BLS-812濾器)、離子交換樹脂和活性炭吸附劑,進(jìn)行5 h的置換,經(jīng)過(guò)處理后的廢棄血漿與血液混合再一起返回患者體內(nèi)。該NBALSS系統(tǒng)能明顯降低谷丙轉(zhuǎn)氨酶(alanine aminotrasferase,ALT)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(aspartate aminotrasferase,AST)、膽汁酸和血氨水平,促進(jìn)肝衰竭肝細(xì)胞再生,改善肝衰模型豬的生存率[25]。該系統(tǒng)在臨床應(yīng)用時(shí)可節(jié)省血漿用量,但操作復(fù)雜,可能會(huì)增加血漿污染的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)尚未見相關(guān)臨床應(yīng)用報(bào)道,尚需進(jìn)一步驗(yàn)證其結(jié)果。

2 外源性白蛋白透析系統(tǒng)

2.1 分子吸附再循環(huán)系統(tǒng)(MARS)

MARS是由Stange[26]于1999年研發(fā)的一種白蛋白分子循環(huán)吸附透析系統(tǒng),主要包含3個(gè)循環(huán),即血液循環(huán)(流速為150～250 mL/min)、白蛋白分子凈化再生循環(huán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的白蛋白600 mL, 流速為150 mL/min)和透析循環(huán)(碳酸氫鹽緩沖液,流速為500 mL/min)。

白蛋白分子凈化再生循環(huán)包括兩個(gè)循環(huán),一個(gè)循環(huán)中應(yīng)用的是不透白蛋白的MARS FLUX透析器,另一個(gè)循環(huán)中預(yù)注有白蛋白溶液?；颊哐和ㄟ^(guò)MARS FLUX透析器時(shí),血漿中結(jié)合毒素的白蛋白會(huì)被透析液吸收分離清除出來(lái)。由于膜的孔徑大小,相對(duì)分子量超過(guò)50 000的物質(zhì)不會(huì)被清除。通過(guò)第2個(gè)循環(huán)在持續(xù)靜脈-靜脈血液透析中不斷為第1個(gè)循環(huán)補(bǔ)充凈化后的白蛋白。因此,MARS與其他治療方法相比,其成本更高。患者對(duì)MARS的耐受性通常良好,但其也可能會(huì)引起血小板和凝血因子下降等現(xiàn)象,這提示彌散性血管內(nèi)凝血(disseminated intravascular coagulation,DIC)患者或早期DIC患者應(yīng)禁止使用此系統(tǒng)[27]。

MARS是目前臨床應(yīng)用最廣泛的以白蛋白透析為基礎(chǔ)的NBALSS系統(tǒng),但其構(gòu)造復(fù)雜,使用費(fèi)用高,操作復(fù)雜,毒素清除效果受限于活性炭和樹脂吸附能力及循環(huán)白蛋白溶液[28]。大量多中心隨機(jī)臨床研究證實(shí),MARS治療能夠明顯降低患者膽紅素和血氨水平,緩解肝性腦病癥狀,還能夠清除肌酐,改善腎功能,從而防止MODS的發(fā)生[29-30]。

2.2 單向白蛋白透析系統(tǒng)(SPAD)

SPAD系統(tǒng)最早是由Kreymann等[31]設(shè)計(jì)的,主要用于清除Wilson病的銅離子,其主要由HF80透析器和白蛋白透析液(白蛋白質(zhì)量濃度為44 g/L)組成,其原理類似于持續(xù)靜脈透析濾過(guò)。其后,Chawla等[32]將其用于救治高膽紅素血癥患者,發(fā)現(xiàn)SPAD系統(tǒng)能顯著降低患者膽紅素和血清蛋白結(jié)合毒素水平,并且高質(zhì)量分?jǐn)?shù)蛋白透析液(5%)的效果優(yōu)于低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蛋白透析液(1.85%)。

透析液的白蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)和流速對(duì)SPAD系統(tǒng)的透析效率具有明顯影響。有研究對(duì)比了SPAD系統(tǒng)在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%,2%,3%和4%)白蛋白透析液和不同透析液流速下的治療效果,得出了結(jié)論:SPAD系統(tǒng)透析液的最佳白蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,最佳流速為700～1 000 mL/h[33]。

與MARS系統(tǒng)相比,SPAD系統(tǒng)構(gòu)造更加簡(jiǎn)單,費(fèi)用低且操作簡(jiǎn)便,毒素清除效果不受限于活性炭和膽紅素吸附能力及循環(huán)白蛋白溶液,可以定量測(cè)定清除毒素的量。目前SPAD系統(tǒng)多應(yīng)用于散在病例,如Wilson病[34]、急性乙肝感染[35]等。最近一項(xiàng)針對(duì)MARS系統(tǒng)和SPAD系統(tǒng)的前瞻性、對(duì)照、交叉研究顯示,MARS系統(tǒng)和SPAD系統(tǒng)均可以降低血漿膽紅素水平,但均不能顯著改變細(xì)胞因子(IL-6和IL-8)水平和肝性腦病癥狀,另外,SPAD系統(tǒng)還不能明顯降低膽汁酸、肌酐和尿素水平[36]。

2.3 連續(xù)白蛋白凈化系統(tǒng)(CAPS)

CAPS系統(tǒng)是Abe等[37]率先開展的一種與MARS系統(tǒng)工作原理幾乎一樣的外源性白蛋白透析系統(tǒng),主要包括血液循環(huán)(流速為100 mL/min)、白蛋白分子凈化再生循環(huán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的白蛋白, 流速為100 mL/min)和透析循環(huán)(碳酸氫鹽緩沖液,流速為500 mL/min),該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)治療,不受限于膽紅素和活性炭吸附柱的吸附能力[12]。CAPS系統(tǒng)在24 h內(nèi)可以清除包括白蛋白結(jié)合毒素在內(nèi)的許多有毒物質(zhì),對(duì)腦、肝、腎和心血管功能具有保護(hù)作用,且副作用較小。Zhang等[38]利用血漿置換聯(lián)合連續(xù)血漿過(guò)濾吸附術(shù)挽救了肝移植前肝豆?fàn)詈俗冃試?yán)重的急性肝衰竭患者,證實(shí)了該系統(tǒng)的安全性及有效性,但仍需進(jìn)行大樣本臨床研究,以驗(yàn)證其有效性及安全性。

2.4 高級(jí)器官支持系統(tǒng)(ADVOS)

ADVOS系統(tǒng)的原型是Hepa Wash系統(tǒng),其主要包括3個(gè)循環(huán):血液循環(huán)(流速為225～250 mL/min)、白蛋白透析液循環(huán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%的白蛋白,流速為1 200 mL/min)和蛋白透析液清洗循環(huán)(流速為2 L/h)。血液經(jīng)過(guò)透析器時(shí)與白蛋白透析液競(jìng)爭(zhēng)蛋白結(jié)合毒素,混有毒素的白蛋白透析液分別進(jìn)入兩個(gè)通道,一個(gè)通道通過(guò)酸化破壞毒素與白蛋白的結(jié)合鍵,從而使毒素釋放,然后通過(guò)透析清除游離毒素;另一個(gè)通道通過(guò)堿化破壞毒素與白蛋白的結(jié)合鍵,從而使毒素釋放,然后通過(guò)透析清除游離毒素;經(jīng)過(guò)酸化和堿化透析的白蛋白透析液最終被混合在一起,酸堿性中和,凈化后的白蛋白透析液再次與血液中白蛋白進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合毒素,如此重復(fù),可實(shí)現(xiàn)白蛋白的重復(fù)利用,增強(qiáng)血液凈化的效果[39]。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,該系統(tǒng)能明顯清除動(dòng)物體內(nèi)的水溶性毒素和蛋白結(jié)合毒素,但并不能提高其生存率[39]。Al-Chalabi等[40]研究顯示,該系統(tǒng)能改善敗血癥引起的多器官功能障礙動(dòng)物模型的生存率,明顯改善心肺和肝腎功能。初步臨床試驗(yàn)顯示,該系統(tǒng)具有一定可行性和安全性[41-43],但尚未見多中心隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)研究。

3 小結(jié)與展望

近幾年隨著組織材料工程、生物醫(yī)學(xué)工程、類器官技術(shù)等多學(xué)科的交叉融合,各式新型人工肝支持系統(tǒng)和新方法被構(gòu)建出來(lái)。從單一的非生物或生物模式治療轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N模式聯(lián)合治療是目前的研究熱點(diǎn)。構(gòu)建一個(gè)能夠完全代替肝臟合成、解毒、生物轉(zhuǎn)化、免疫調(diào)節(jié)的新型組合型生物人工肝是未來(lái)人工肝支持系統(tǒng)的發(fā)展方向。

作者貢獻(xiàn)聲明

蔡少如:提出研究思路,整理文獻(xiàn),撰寫論文;古明子、張琳雅:文獻(xiàn)檢索、文獻(xiàn)整理;傅裕:文獻(xiàn)整理、修改論文;馮磊:提出研究框架及論文框架、作圖和修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業(yè)、公司等第三方資助,不存在潛在利益沖突。