低温低流量保护缺血再灌注肺损伤的研究进展

张伟艳（综述），莫绪明（审校）

·综 述·

低温低流量保护缺血再灌注肺损伤的研究进展

张伟艳（综述），莫绪明（审校）

体外循环；低温；低流量；缺血再灌注；先天性心脏病

先天性心脏病是儿童非感染性疾病的首要死因，在活产儿的发病率大约是1%［1］，在自然流产的胎儿中约为5%～10%，在中国高发地区报告先天性心脏病发病率为0．73%［2］。近年来，随着小儿心内直视手术相关技术（如深低温停循环、深低温低流量灌注等）的迅速发展及术后监护水平的提高，不少复杂危重先天性心脏病患儿得到了满意的治疗。

有些先天性心脏病心内畸形十分复杂，涉及大血管病变，如果灌注量不减少，会由于灌注流量较大难以进行手术，必需将灌注流量减小才能完成，为避免低灌注流量造成的全身缺血缺氧性损害，只有降低体温，减少氧耗量保护重要脏器。因此，临床上对于复杂性先天性心脏病的手术常采用深低温低流量（deep hypothermic low flow，DHLF）技术。DHLF能够提供一定的氧供和血流，从而增强细胞对缺氧的耐受性，延长组织对缺氧的耐受时间，减轻细胞的损伤及因缺氧而造成的细胞的凋亡，同时低温可抑制自由基及炎症因子等释放，具有较好的保护作用，但是，由于同样经历缺血再灌注损伤（ischemical reperfusion injury，IRI）的过程，对肺、心、肾、脑等脏器仍将产生一定的损害，而肺损伤是体外循环术后的主要并发症之一［3－7］。术后约2%的急性肺损伤（acute lung Injury，ALI）可发展为急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）［8］。有研究显示：体外循环术后，因呼吸衰竭的病死率高达50%～70%。特别是先天性心脏病合并肺动脉高压的年幼患儿及重症患者，严重时可引起ARDS甚至死亡，严重影响患者预后［9］。因此，DHLF对肺部的作用仍需进一步探讨。本文就近年来有关缺血再灌注肺损伤及低温低流量对肺部作用的研究进展作一综述。

1 缺血再灌注对肺组织的损伤

1．1 氧自由基（oxygen free radicals，OFR）的作用

OFR在肺IRI中起重要作用。缺血肺组织再灌注时注入氧分子，由线粒体细胞色素P450系统产生毒性氧代谢产物；并伴随三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）降解，缺氧可激活细胞内p38丝裂原活化蛋白激酶，使黄嘌呤氧化酶激活，从而当肺再灌注时产生活性氧［10］。OFR引起肺损伤的机制［11－13］有：①直接损伤DNA，使DNA链断裂，导致DNA耗竭及ATP合成减少；②OFR与脂质作用使脂肪酸过氧化，致细胞膜受体、膜蛋白酶和离子通道的脂质微环境改变；③OFR与蛋白质作用可使氨基酸氧化与破坏，导致酶失活及多肽链断裂；④影响核基因的转录，上调凋亡基因，诱导炎症相关基因（如NF－KB）的表达，产生白细胞介素－1（interleukin－1，IL－1）、肿瘤坏死因子－α（Tumor necrosis factor，TNF－α）、集落刺激因子（conlony stimulating factor，CSF）、IL－8、细胞间黏附分子－1（intercellular adhesion molecule－1，ICAM－1）等，进而促进炎症效应细胞的增殖与活化。

1．2 多型核白细胞（polymorphonuclear leukocyte，PMN）肺内聚集和激活的作用 IRI时大量激活的白细胞聚集在肺内是导致肺损伤的重要步骤，PMN浸润、激活是引起肺损伤的主要原因之一［14］。PMN一方面通过“呼吸爆发”释放OFR，导致细胞损伤；另一方面PMN释放的蛋白水解酶物质引起或加重“无复流”现象，导致肺水肿。IRI后大量白细胞黏附和聚集于缺血组织的血管中，活化的PMN经脱颗粒作用释放弹性蛋白酶，基质金属蛋白酶和髓过氧化物酶等多种蛋白酶，分解胞外纤维与基质导致肺组织损伤［15］。

1．3 细胞间的相互作用 IRI可激活PMN和内皮细胞释放IL－8，IL－8进一步诱导PMN迁移、黏附和浸润，激活的PMN表面表达黏附分子，与血管内皮细胞表面的ICAM－1相互作用，PMN与内皮细胞发生牢固粘连。同时内皮细胞钙离子内流增加，内皮

细胞间隙增大，通过IL－8、血小板等的趋化作用使PMN游出血管，在肺内滞留，并释放出大量的氧自由基而引起肺组织损伤［16］。

2 深低温低流量对肺部的保护

2．1 抑制代谢率 正常供氧条件下，体温每降低1℃，中枢氧代谢率被抑制5%左右。此时葡萄糖消耗量明显减少，而高能磷酸化合物水平不变［25］。低温保存高能磷酸化合物，抑制乳酸堆积，维持细胞内酸碱平衡［26］。

2．2 抑制OFR生成，促进自由基清除 实验证明，低温可通过如下机制使自由基的量维持较低水平：①抑制兴奋性氮基酸（excitatory amino acids，EAAs）和儿茶酚胺介导的氧化应激［27］。低温缺血可显著抑制EAAs释放，同时可使脑缺血期间儿茶酚胺释放量减少60%。②改善组织酸中毒程度［28］。组织酸中毒可经过多种途径如Bohr效应促进活性氧分子（reactive oxygen species，ROS）和过氧化脂质产生，低温通过改善复苏后能量供应和需求间的不平衡而缓解胞内酸中毒的程度，减少ROS和过氧化脂质的生成。③低温还可通过减少Ca2＋内流、抑制嗜中性粒细胞活化和黏附、减少内源性抗氧化物质消耗等途径减少氧自由基的生成［29］。

2．3 对PMN功能的影响 很早以前，人们就发现亚低温可抑制损伤后PMN浸润从而减轻组织损伤。Maier［30］等发现，创伤后1 h的亚低温可减少PMN浸润达75%，2 h后减轻损伤为72%。亚低温不但减少浸润PMN数量，还抑制其功能。PMN释放氧自由基的能力与温度密切相关，有报道当温度从37℃降至 33℃时，PMN释放的氧自由基减少 4倍［31］。Mizuno［32］等的研究显示，将 PMN孵育在35℃时，其吞噬能力显著提高。

2．4 对凋亡的影响 实验证实局部组织60 min的低温（10℃）治疗可直接阻断TNF－α诱发的细胞凋亡，这可能与低温治疗恢复毛细血管灌流、改善组织缺血有关。当然也不能排除低温可干扰TNF－α与其受体结合而发挥保护作用［33］。有研究证实低温对于坏死的细胞无影响，但显著减少凋亡的细胞，这提示低温可特异性地抑制细胞凋亡。虽然在损伤和缺血的同时就可能触发凋亡，但其死亡过程将持续一段时间，这就为低温阻断相关的生化反应过程提供了可能［34］。

2．5 对细胞因子的影响 低温可显著抑制炎症早期TNF－α的释放［35］和白介素－1β（interleukin－1β，IL－1β）RNA表达［36］。Marion等［37］发现在脑创伤后36 h，低温组IL－1β含量明显低于常温组，且复温后差异依然存在。Aibiki等［38］证实，低温可以抑制脑损伤后IL－6升高，且作用可延续到复温时和复温后。低温降低机体的代谢率，并有可能改变一些酶等蛋白质分子的结构，降低其生物活性，这可能是低温抑制机体炎症因子释放的机制之一。

2．6 对 Ca2＋的影响 Bickler等［39］和 Yamashima等［40］发现，低温可显著减缓缺血后的Ca2＋堆积，缓解细胞内Ca2＋超载，从而影响缺血后包括脂蛋白相关磷脂酶A2，钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ、蛋白激酶C等多种重要Ca2＋靶酶的活性。低温可促进Na＋－K＋－ATP酶和Ca2＋－Mg2＋－ATP酶活性恢复、缓解细胞内Ca2＋超载、脂质过氧化反应的普遍抑制以及能量代谢改善后磷脂再酰基化增多［41］。

2．7 对微循环的影响 Westmann等［33］发现局部低温可阻断TNF－α所致的毛细血管灌流障碍，这可能是低温抑制PMN聚集，降低毛细血管阻力所致。低温还可抑制血栓素生成，促进前列腺素合成从而恢复微血管灌流，保持组织结构完整性。黏附分子可促进PMN与内皮细胞黏附，多项研究证实低温可抑制黏附分子的功能及其在白细胞和内皮细胞上的表达，从而减少PMN的浸润［42］。

虽然迄今尚未有低流量对肺有保护作用的报道，但Zhang［43］等研究证实低于30 mm Hg的肺灌注压力可减少体外循环犬模型肺损伤。X．Yewei等［44］研究证明低温低流量猪模型可显著减少体外循环造成的肺损伤。除此以外，对于正常流量的体外循环手术，术中采用联合超滤［45］，某些药物、如乌司他丁［46］等可显著降低患儿术后的肺损伤。

缺血再灌注肺损伤是一种多因素共同作用的复杂的病理、生理过程，确切的发生机制十分复杂，仍未完全清楚。而低温是一项历时久远的临床治疗方法，其脑保护作用早已被人们所公认并广泛应用。肺脏是空腔脏器，对其应用低温的研究较少，仅限于少量动物实验和心脏体外循环手术中。相信随着技术的发展和研究的深入，会更加深刻了解缺血再灌注的损伤机制，进一步明确低温低流量的保护作用及相关的分子机制，为以后肺保护药物的临床应用提供基础依据，为临床的实施奠定基础，同时新的、更有效的肺损伤保护措施也将不断出现，以降低体外循环肺损伤的发生率，改善患者的预后并降低死亡率。

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210008南京，南京医科大学附属南京儿童医院心胸外科

1．4 细胞因子的释放 TNF－α是机体产生的早期炎症反应细胞因子之一，在大量产生和释放时，机体的免疫平衡被破坏。TNF－α与受体结合后通过多种细胞通路激活转录因子，使单核巨噬细胞分泌大量炎性细胞因子，出现细胞因子的级联反应。研究发现［17］，IRI后肺组织中TNF－α显著增加，明显高于假手术组和药物干预组。IL－8是一种PMN趋化因子，IRI损伤可激活PMN和内皮细胞释放大量的IL－8，进一步诱导PMN迁移、黏附和浸润，加重肺IRI损伤。

1．5 细胞凋亡 多种脏器、组织历经IRI后均发现有细胞凋亡现象，凋亡参与IRI肺损伤的病理、生理机制，细胞凋亡的调控与多种基因的调控有关。B淋巴细胞瘤－2（B－cell lymphoma－2，Bcl－2）是重要的抗细胞凋亡基因，在IRI损伤中表现得尤为突出。Cooke等［18］发现用腺病毒转染使人类Bcl－2在大鼠体内过表达后可抑制肺移植后的细胞凋亡，而且Bcl－2作为半胱天冬酶（caspase）的上游调控机制，其过度表达能抑制各种因素诱发的caspase激活和凋亡。

1．6 微循环障碍 IRI过程中毛细血管长度增加，流量减少，流速降低［19］，导致血细胞易于在毛细血管壁沉着、黏附。IRI引起微血管壁上的受体发生改变而导致血管收缩异常。Anthonio等［20］研究发现在缺血30 min再灌注60 min的心脏中β1肾上腺素能受体密度明显下降。IRI时释放大量缩血管物质，而扩血管物质合成和释放减少，造成微血管舒缩功能的改变，加重细胞的损伤和坏死。

1．7 钙超载 当缺血发生时，细胞内ATP含量减少，钠泵活性降低，造成细胞内Na＋含量增多，细胞水肿；再灌注时，细胞内高Na＋迅速激活Na＋／Ca2＋交换蛋白，Na＋得以向细胞外转运，同时，大量Ca2＋进入细胞，这是缺血再灌注钙超载形成的主要途径。IRI时钙超载的发生主要是IRI期高浓度的细胞内Ca2＋很容易激活磷脂酶A2和钙敏感性蛋白酶。磷脂酶A2和蛋白激酶C的活化可导致花生四烯酸形成，花生四烯酸的活化可导致前列腺素和血栓素A2的形成，前者是OFR产生的底物，后者可导致微循环障碍。钙超载可以使细胞膜、线粒体和肌浆网膜损伤，进一步增加膜的通透性，使内皮细胞水肿，干扰线粒体氧化磷酸化，使ATP生成减少；还可以增强Ca2＋依赖性蛋白酶活性，加速黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，促进OFR生成［21］。

1．8 能量代谢障碍 缺血再灌注早期，能量代谢从线粒体的有氧氧化转变为以糖酵解为主，糖酵解产生的ATP并不能满足细胞需求，细胞内储备的高能磷酸化合物开始降解，其中磷酸肌酸较ATP提前降解［22］，ATP生成不足，使细胞膜和肌浆网上Ca2＋－ATP酶活性降低，进入细胞内的Ca2＋不能被细胞膜和肌浆网上钙泵有效而及时地转运到细胞外或摄入肌浆网储存，导致细胞内Ca2＋浓度升高，更加重了细胞内钙超载［23］。Sommer等认为肺缺血再灌注损伤引起的肺水肿可能与线粒体的功能障碍有关［24］。

综上所述：缺血再灌注肺损伤是一种多种因素共同作用的复杂的病理、生理过程，在其发生、发展过程中同时存在复杂的生理、化学和分子反应，其中氧自由基的生成、细胞间的相互作用、多形核中性粒细胞肺内聚集和激活、细胞因子的释放、细胞凋亡及信号转导通路等都是关键性的致伤因素。而深低温恰好可以从这几个方面抑制缺血再灌注引起的损伤。

2014⁃06⁃24）

2014⁃08⁃14）

10．13498／j．cnki．chin．j．ecc．2014．04．15